Материал колец поршневых колец – Поршневые кольца. Назначение, требования, классификация. Формы уплотнительных колец. Материалы поршневых колец. Влияние выбора материала на конструкцию кольца и поршневой группы.
Материалы для поршневых колец
Материал для изготовления поршневых колец должен быть износостойким при хорошей обрабатываемости, иметь высокую прочность и упругость при рабочих температурах и возможно меньше изнашивать поверхность цилиндра.
Наилучшим образом этим требованиям удовлетворяет чугун, имеющий перлитовую структуру с небольшим количеством равномерно распределенных мелких выделений графита, а также легированные чугуны. В качестве легирующих присадок для чугуна применяются в небольших количествах хром, никель, молибден, медь, вольфрам. Эти присадки повышают теплостойкость серого чугуна до 350—400° С. Применяются чугуны следующих марок: СЧ 18-36; СЧ 21-40; СЧ 24-44, СЧ 28-48 и др.
Для витых стальных колец, как сообщает интернет магазин иномарок, калиброванная лента изготовляется из стали У8А с последующей термической обработкой. Для осевых расширителей применяется сталь 65Г, а для радиальных — У10А.
Покрытие рабочих поверхностей поршневых колец пористым хромом является наиболее эффективным способом повышения износостойкости колец и зеркала цилиндров. При этом уменьшаются потери на трение, повышается сопротивляемость износу и обеспечивается смазка рабочих поверхностей. Общая толщина хромового покрытия для поршневых колец составляет 0,1—0,2 мм.
Все нехромированные кольца обычно подвергаются электролитическому лужению (толщина слоя 0,005—0,010 мм), оксидированию, фосфатированию и т. п., что ускоряет приработку и повышает сопротивляемость коррозии.
Ведутся работы над применением металлокерамики для изготовления поршневых колец. Изготовленные из нее кольца обладают следующими особенностями: 1) пористая поверхность кольца хорошо аккумулирует масло; 2) сравнительно простыми средствами можно вводить в состав материала кольца жаропрочные, коррозиостойкие и другие добавки, 3) можно регулировать содержание графита.
Поршневые кольца, изготовленные методом порошковой металлургии, хорошо противостоят износу. При изготовлении таких колец почти исключается производственный брак.
Поршневые кольца — Википедия
Несжатые поршневые кольца: два верхних — компрессионные, нижнее — маслосъёмное. Поршневые кольца на ГАЗ-52, два типа:1 — компрессионные кольца
2 — чугунное маслосъёмное
Справа составное маслосъёмное кольцо:
3 — радиальный расширитель
4 — осевой расширитель
5 — тонкие стальные маслосъёмные кольца, верхнее и нижнее
Поршневы́е ко́льца — это незамкнутые кольца, которые с небольшим зазором (до нескольких сотых долей миллиметра) посажены в канавках на внешних поверхностях поршней в поршневых двигателях (таких как двигатели внутреннего сгорания или паровые двигатели) и поршневых компрессорах.
Функции поршневых колец[1]
Поршневые кольца выполняют три главные функции:
- уплотнение (герметизацию) камеры сгорания (или камеры расширения). Компрессионные кольца поддерживают компрессию — с изношенными, поломанными или залёгшими кольцами двигатель потеряет мощность или вообще не запустится;
- увеличение теплоотдачи от поршня через стенку цилиндра, не допуская перегрева и задира поршня;
- регулирование толщины плёнки моторного масла на цилиндре (во всех четырёхтактных двигателях и в двухтактных двигателях) с раздельной смазкой[2].
Устройство поршневых колец
Материал
Поршневые кольца изготавливают из высококачественного серого или ковкого чугуна, либо легированной стали. Теплостойкость и предел прочности стальных выше, зато чугунные дешевле и легко прирабатываются даже без покрытия. Стальные в любом случае покрывают антифрикционным приработочным, а часто и твёрдым покрытием[3].
Распространённый вариант — верхние стальные, с покрытием пористым хромом и оловом, вторые — с покрытием молибденом либо чугунные без покрытия, и маслосъёмные литые из чугуна или наборные стальные. В этом случае сначала прирабатывается более мягкий материал второго кольца (молибден), а дальше по мере приработки функции основного уплотнения переходят к более долговечному кольцу с хромовым покрытием. Ранние двигатели с ресурсом до промежуточного ремонта менее 100.000 км имели, как правило, чугунные кольца без покрытия. Ввиду низкой точности старых поколений колец, это было вынужденное решение. Кроме того, число колец (4-6) и даже их высота была в ранних конструкциях больше. Крупноразмерные двигатели имеют большее число колец в том числе и для улучшения теплоотвода от поршня.
Обычно верхнее кольцо и кольцо, регулирующее подачу смазки, покрываются хромом или оловом[4] или нитридами[5], в частности, с помощью плазменного напыления[6] или имеют керамическое покрытие, созданное с помощью PVD-процесса[7]. Для улучшения параметров трения и ещё большего улучшения износостойкости, многие современные дизельные двигатели имеют верхнее поршневое кольцо, покрытое модифицированным пористым хромом с помощью процесса, известного как CKS[4] или GDC[4], который имеет включения из частиц алмазов или оксида алюминия. В некоторых типах двигателей, с никасиловой или алюсиловой поверхностью цилиндра, применяют поршневые кольца без твёрдого покрытия. Нарушение этого условия ведёт к быстрому (обычно невосстановимому) разрушению блока.
Эпюра давления[8]
Каждое кольцо получено путём точного разрезания чугунной или стальной трубы, причём заготовка овальная по сечению. Этим обеспечивается необходимая эпюра давления кольца на поверхность цилиндра, гарантирующая плотное прилегание и надёжную приработку кольца. В случае круглой заготовки после её разрезания, кольца бы не прилегали у замка. Фактически для нового кольца максимальное контактное давление достигается именно у замков, на некотором расстоянии от них минимально, и на остальной части имеет среднее значение. Кольца в канавках разворачивают таким образом, чтобы угол между замками был равным (для 3-х колец 120°, двух — через 180°). При этом эпюры давлений колец не будут совпадать, и износ по диаметру выравнивается. Кроме того, так получается лабиринт, уменьшающий прорыв газов.
Материал колец должен сохранять необходимую упругость, так как компрессионные кольца расширителей не имеют. Когда прилегание обеспечено, основной прижим кольцу обеспечивает газовое давление. Чтобы несколько уменьшить трение в таких условиях, кольца ранних моделей имели фаски по наружной поверхности сверху. В последние годы снижения трения достигают уменьшением высоты колец, но кольца всё равно имеют ориентацию для установки к днищу поршня (надпись «TOP»). Неправильная ориентация может увеличить расход масла на угар, а значит (в условиях контроля токсичности) сделает невозможным эксплуатацию двигателя.
Замок
Стык или замок между торцами поршневого кольца после монтажа в цилиндр сокращается до небольшой величины. Зазор в замке составляет для отечественных ДВС по инструкции примерно 0,45-0,6 мм на диаметр поршня 100 мм для верхних поршневых колец, у маслосъёмных — несколько выше. Монтажный зазор кольца у импортных двигателей меньше примерно в 2 раза, так как точностью изготовления обеспечено прилегание, а значит, защита от перегрева с возможным смыканием замка. Фактически, высокие зазоры, указанные в русских инструкциях моторов ВАЗ, ГАЗ, ИЖ, ЯМЗ и др. — не исправленный анахронизм, так как качество колец с момента разработки этих моторов намного улучшилось
Компрессионные кольца
Основной функцией компрессионных (верхних) колец является герметизация камеры сгорания. Более трёх компрессионных колец на автомобильный поршень обычно не устанавливают, так как степень уплотнения поршня увеличивается незначительно, а потери на трение возрастают.
На двухтактных бензиновых двигателях с кривошипно-камерной продувкой устанавливают только компрессионные кольца. Кольцо в замке соответствует форме и расположению стопорного штифта (предохраняет от поломки кольца при провале замка в окно, устанавливается только на двигателях с окнами в цилиндре).
Обычно поперечное сечение компрессионного поршневого кольца имеет прямоугольную форму. Край кольца имеет либо цилиндрические профиль (верхнее уплотнительное кольцо), либо фаску, либо сужающуюся по натуральному логарифму форму (второе уплотнительное кольцо). При работе кольца несколько скручиваются благодаря зазору в канавке, что облегчает их приработку. Ранее активно применялись так называемые «минутные» кольца, но в последние годы преобладает бочкообразный профиль колец, обеспечивающий меньший расход масла[10].
Маслосъёмные кольца
В бензиновых двухтактных двигателях с кривошипно-камерной продувкой маслосъёмные кольца не нужны. Специальное масло сгорает в таких моторах вместе с топливом.
Маслосъёмные кольца предназначены для снятия лишнего моторного масла, которое смазывает поверхность цилиндра, поршня и уплотнительные кольца. Кольцо сконструировано таким образом, чтобы оно оставляло масляную плёнку толщиной лишь несколько микрометров на поверхности цилиндра, по мере того как поршень опускается. В канавке маслосъёмного кольца на поршне имеются радиальные отверстия или прорези, по которым снимаемое со стенки цилиндра масло возвращается в поддон.
Маслосъёмные кольца могут быть чугунные литые с прорезью (показано на нижней фотографии слева) или стальные составные с пружинами-расширителями. Составное кольцо состоит из тонких верхнего и нижнего кольца и двух расширителей (радиального и осевого). Бывает два исполнения таких расширителей: так называемая «лапша» и современные, с использованием фигурного расширителя. Составные стальные кольца несколько дешевле в производстве, поэтому встречаются чаще литых чугунных. Иногда на поршень устанавливается два маслосъёмных колец (литых или составных). В последнее время чугунные кольца также обычно снабжают пружинным расширителем для стабилизации прижима.
Поломка или износ колец вследствие нагрузок в цилиндре
Поршневые кольца подвергаются износу, когда они двигаются вверх и вниз вместе с поршнем в цилиндре. Износ происходит как вследствие взаимодействия с механическими деталями (стенками цилиндра и поршневыми канальцами), так и вследствие воздействия на них горячих отработанных газов. Имеет место также химический износ, так как в топливе (особенно в дизельном) содержится сера. Для минимизации степени износа их изготовляют из износостойких материалов, таких как чугун, и они имеют специальное покрытие, повышающее износостойкость. Имеются также данные, что износ колец пропорционален запылённости поступающего в цилиндр воздуха [11].
Кроме износа можно встретить поломку кольца на несколько частей, а также залегание (закоксовывание) из-за того, что в канавке скопились несгоревшие частицы сажи, масла и др. Основными причинами закоксовывания являются низкое качество применяемого масла, несвоевременная его замена с последующим осмолением, длительный повышенный расход масла из-за пропуска манжет клапанов, неправильного монтажа сборного маслосъёмного кольца, и других причин. В некоторых случаях (использование растительного масла вместо солярки, «партизанское» подсыпание сахара в бензин) виной залегания является топливо.
Потеря упругости колец обычно происходит ввиду нарушений режима обкатки и/или низкого качества поддельных поршневых колец. При плохом прилегании и больших прорывах горячих газов кольцо необратимо теряет упругость (садится), с дальнейшим последующим ростом прорыва газов и расхода масла.
В случае значительного износа поршневой канавки растёт риск поломки верхнего поршневого кольца. В цилиндре в результате объёмного сгорания (дизель) или детонации (искоровой) регулярно проходят ударные волны, которые вызывают вибрацию и соударение кольца с канавкой. Поэтому чем выше зазор, тем такие динамические нагрузки выше. Кроме того, по мере разнашивания канавок и увеличения зазора в стыке колец растёт расход масла. Таким образом, расход масла является ремонтным критерием для замены колец с поршнями и (во многих случаях) расточки блока.
Подгонка и монтаж новых поршневых колец
После длительной работы в цилиндре двигателя образуется овальный износ и ступенька в верхней части цилиндра, куда доходит верхнее кольцо. Изнашиваются как кольца, так и поршни, постепенно увеличивается прорыв газов и растёт расход масла. Наступает время промежуточного или капитального ремонта.При капитальном ремонте изношенный цилиндр, как правило, подвергают растачиванию и/или хонингованию, устанавливаются новые ремонтные поршни несколько большего диаметра (на автомобильных двигателях следующий ремонтный размер, как правило, на 0,5 мм больше) и кольца ремонтного размера. В случае допустимого ещё состояния цилиндров замене подлежат кольца, иногда и поршни. Согласно современным инструкциям, установка колец следующего ремонта с подточкой не разрешена, однако в целях снижения затрат на ремонт применяется.
Замечание: при установке колец следующего ремонта нужно производить тщательную проверку прилегания по зеркалу. Обычно при этом приходится после подточки и выставления минимального зазора в стыке
Поршень должен иметь зазор в цилиндре согласно инструкции. Обычно смазанный моторным маслом поршень должен под своим весом легко опускаться в цилиндре (при комнатной температуре). Если поршень будет иметь более плотную посадку, то тепловое расширение вследствие нагревания приведёт к задиру и снижению ресурса мотора. С другой стороны, если зазор между поршнем и стенками цилиндра слишком велик, при работе будет прослушиваться стук поршня, и из-за повышенных зазоров в замках колец ресурс до ремонта уменьшится. Сами поршневые кольца, благодаря наличию зазора, могут в небольших пределах изменять свой диаметр, что позволяет избежать заклинивания. Этого небольшого изменения диаметра достаточно, чтобы компенсировать температурное расширение и сжатие. Если кольца без поршня вставить в новый или отремонтированный цилиндр, то зазор должен составить около 0,2—0,4 мм (более конкретные данные — см. инструкцию по эксплуатации). Если зазор меньше — кольца подтачивают надфилем, если больше — устанавливают из большего ремонтного набора.
Над канавками кольца проводят, подкладывая под них тонкие металлические пластинки (несколько штук по длине окружности), либо используют съёмник колец. При установке поршня с кольцами в цилиндр, последние сжимают с помощью оправки или самодельного жестяного хомута.
Примечания
Ссылки
Поршень (ДВС)
Поршневые кольца
При конструировании двигателя внутреннего сгорания инженеры неизменно сталкиваются с одной и той же проблемой — дно поршня и цилиндр не могут быть одного и того же диаметра. При этом масло не должно проникать в камеру сгорания. Массивный поршень заклинит в цилиндре, даже если он будет чуть меньше диаметром, а вот узкое гибкое кольцо, снабженное подвижным замком — нет. Применение колец оказалось идеальным компромиссом.
Типы поршневых колец
Поршневые кольца бывают двух типов – компрессионные и маслосъемные.
Компрессионные кольца служат для создания давления в камере сгорания.
Конструкция двигателя предусматривает небольшой зазор между стенками цилиндра и поршнем. Зазор не позволяет создать в камере сгорания необходимое давление, так как расширяющиеся газы неизбежно просачивались бы в картер двигателя. Эта задача была решена при помощи компрессионных колец. Это стальные тонкие кольца с разрезом. Разрез называют замком, потому что он позволяет упругому кольцу сжиматься и разжиматься в строго определенных пределах, не давая, в то же время, сорваться с поршня. Чтобы кольца могли беспрепятственно сжиматься, на внешней поверхности корпуса цилиндра вытачивают кольцевые пазы — канавки.
Кольца сделаны из упругой стали. По сути, кольцо — разновидность пружины. Они находятся в поджатом состоянии и за счет этого плотно прилегают к стенкам цилиндра. По мере стачивания колец в процессе эксплуатации плотность прилегания не падает, по крайней мере, до тех пор, пока износ не достиг критической точки.
Поршень и поршневые кольцаОсобенности расположения поршневых колец на корпусе поршня
На большинстве поршней современных двигателей устанавливается по три кольца. Два верхних кольца компрессионные, нижнее — маслосъемное.
Компрессионные кольца, даже при условии, что два кольца расположены одно над другим, не могут полностью устранить прорыв газов из камеры сгорания.
Проблему прорыва производители пытаются решить разными способами. Так, например, при монтаже колец в заводских условиях кольца располагают так, чтобы замки не находились друг над другом. Лучше всего разводить их на 180 градусов, чтобы они «смотрели» в разные стороны. Кстати, это условие необходимо соблюдать и при капитальном ремонте двигателя.
Прогрев помогает продлить срок эксплуатации любого двигателя, что бы ни заявлял на этот счет производитель. Кольца продолжают тереться о стенки цилиндров — такова конструкция ДВС
В период обкатки двигателя кольца притираются к зеркалу цилиндров, и зазоры практически исчезают. Этим в немалой степени объясняется существование режима обкатки двигателя. Если производитель предписывает такой режим в сервисной книге, его следует соблюдать Чем ответственней владелец подойдет к обкатке двигателя, тем надежней «лягут» кольца на зеркало цилиндров, и тем дольше будет служить мотор.
Маслосъемные кольца выполняют более простую функцию — снимают излишки масла, попадающие на стенки цилиндра снизу. В нижней части двигателя — картере, стоит настоящий масляный туман, который возникает при вращении коленвала. Рассеянное в воздухе масло смазывает стенки цилиндра, позволяя поршням беспрепятственно скользить вверх и вниз, но допустить его попадание в камеру сгорания нельзя. Под воздействием температуры оно немедленно частично сгорит, частично закоксуется, то есть осядет в виде плотного нагара на клапанах, стенках цилиндра, поверхности поршня, словом везде. Если такое происходит, двигатель выходит из строя очень быстро. Кстати, выражение «кольца залегли» имеет к закоксовыванию прямое отношение. Масло просачивается между стенкой цилиндра и изношенным маслосъемным кольцом, масло сгорает, а несгоревший остаток облепляет компрессионные кольца, которые в итоге перестают разжиматься и остаются в сжатом состоянии.
Эксплуатация поршневых колец
В процессе работы в цилиндре все кольца со временем теряют упругость. Этот процесс происходит неравномерно по окружности, и начинается в районе замка. В месте расположения замка (в зазоре) постепенно ухудшается контакт со стенкой цилиндра, и происходит перегрев. Кроме того, кольца подвержены повышенному износу при раскручивании до высоких оборотах непрогретого двигателя.
У компрессионных колец форма замка может быть ступенчатой, косой или прямоугольной. Чаще всего встречаются кольца с прямоугольным разрезом. Такие кольца обходятся производителю недорого, но они обладают самыми плохими уплотняющими свойствами.
Материалы для производства поршневых колец
Самый распространенный материал для изготовления поршневых колец высокопрочный серый чугун.
Кольца из чугуна сохраняют упругость и прочность в период всего срока службы. Этот материал показал себя с самой лучшей стороны в условиях повышенного трения – кольца из чугуна долго не стираются. За счет прочности материала кольца хорошо и равномерно прирабатываются, и плотно прилегают к зеркалу цилиндра.
При кажущейся простоте формы поршневого кольца процесс его производства сопряжен с рядом трудностей
Для увеличения термостойкости колец из серого чугуна в него добавляются легирующие добавки: никель, хром и тому подобные вещества.
Технология изготовления поршневых колец
При кажущейся простоте формы поршневого кольца процесс его производства сопряжен с рядом трудностей.
Они связаны, прежде всего, с повышенными требованиями к точности размеров и с самой формой кольца. К тому же в них делается разрез, что усложняет технологию производства.
Важно выдерживать такой параметр, как шероховатость наружной поверхности, в пределах 2,5 мкм. Имея такую шероховатую поверхность, кольцо быстрее прирабатывается к стенке цилиндра (зеркалу). Если отшлифовать наружную поверхность, притирка будет долгой, и обкатывать двигатель придется на протяжении десятка тысяч километров.
При изготовлении поршневых колец не допускаются трещины и прочие дефекты на их поверхности.
В процессе изготовления поршневых колец важно сделать их идеально ровными, чтобы давление по краям поршня распределялось одинаково.
Чугунные кольца отливают в формах, затем металл закаляют, «отпускают» и вырезают замок. После остывания отливки на поверхность напыляют износостойкий материал, кольцо подвергают шлифовке для окончательного придания нужной формы.
На рабочую поверхность маслосъемных колец наносится слой пористого хрома или молибдена для увеличения износостойкости и обеспечения защиты от коррозии.
Выбор поршневых колец / Статьи от клуба АЗЛК.нет / Статьи
Общим направлением в конструкциях высококачественных поршней является использование узких поршневых колец.
Существует мнение, что тонкое кольцо будет предотвращать так называемую вибрацию колец на высоких оборотах двигателя и уменьшать трение между поршневым кольцом и стенкой отверстия цилиндра. При всех условиях работы узкие кольца работают хорошо, но из-за того, что от них требуются повышенные усилия, оказываемые на стенки, и из-за других факторов, включающих высокие рабочие температуры, такие кольца вызывают ускоренный износ цилиндров и лицевой поверхности самих колец. Пока вы не создаете двигатель, который способен и часто будет развивать очень высокие обороты (более 6.000 об/мин), вы будете довольны широкими кольцами. Обычные кольца дешевле, работают дольше и достаточно надежно. В реальности, улучшение характеристик от использования тонких колец является таким малым, что может быть обнаружено только на испытательном стенде или же при большом количестве испытательных заездов. Рассмотрим их применимость только для гоночных двигателей.
Если вы должны использовать специальные поршни, то конструкция верхнего кольца является одним из самых важных факторов (среди прочих), подлежащих рассмотрению. Если верхнее кольцо расположено высоко на поршне около его верхней части, характеристики двигателя будут лучше, благодаря тому, что меньший объем недоступных газов будет захвачен в перемычке между кольцами. Преимущества могут быть малыми, но они есть. Однако, слишком много хороших вещей может быть гибельным: если кольцо расположено слишком близко к верхней части поршня, то тонкая перемычка над канавкой кольца может перегреться и разрушиться. Убедитесь, что производители поршней и колец согласовали оптимальное положение перемычки между кольцами, и что поршни обработаны в соответствии с требованиями.
Верхнее поршневое кольцо и перемычка над его канавкой работают в очень жестких условиях. Верхнее кольцо должно не только обеспечивать качественное уплотнение у рабочей поверхности при очень высоких давлениях, но также должно работать в окружении высокотемпературных газов. Кольца должны противостоять их воздействию в течение миллионов циклов и сохранять свою упругость и возможность уплотнения. Эти требования определяют технологии производства и металлургические особенности материала колец. Материал кольца должен иметь низкий коэффициент трения, хорошие характеристики против заедания и низкий коэффициент износа.
Одним из первых эффективных материалов, использованных для поршневых колец, был ковкий чугун. Он сочетается с чугуном, используемым в блоках цилиндров, а его пористая структура позволяет ему удерживать масло, уменьшая износ. Широко используется также производная от ковкого чугуна, известная как пластичный чугун. Он обладает большинством качеств чугуна, а кроме этого, он может упруго деформироваться, что облегчает установку колец.
Эти кольца вполне приемлемы для использования, но форсированные двигатели требуют большего, чем быть просто приемлемыми. Так как уровень требований с годами возрастает, то были найдены другие, более эффективные (и более дорогие) материалы. Одним из первых было нанесение слоя хрома на чугун. Эти кольца не используют обычный полированный хром, который применяется для бамперов и колпаков колес, а обрабатываются твердым хромом. Эти кольца были впервые использованы в самолетостроении, где они были необходимы для того, чтобы найти материал, который будет противостоять истиранию и заеданию даже при очень высоких температурах поверхности и высоких давлениях. Также твердый хром очень устойчив к износу. Хромированные кольца имеют один недостаток: так как они являются очень твердыми; конструкторы двигателей должны использовать точные технологии обработки отверстий цилиндров, чтобы добиться оптимальной работы.
Поршневые кольца, сделанные из нержавеющей стали, являются усовершенствованием хромированных чугунных колец. По сути, нержавеющая сталь является материалом, в который входит большое количество хрома. И нет ничего странного в том, что такие кольца имеют свойства, аналогичные свойствам хромированных колец. Нержавеющая сталь также имеет способность противостоять высокой температуре, превосходящую хромированный чугун.
При попытках увеличения срока службы колец и обеспечения быстрой их приработки, были созданы молибденовые кольца. Такое кольцо является обычно кольцом с основой из чугуна с молибденовым покрытием поверхности. Молибден обладает многими противоизносными свойствами хрома, а в некоторых случаях он может иметь даже большую сопротивляемость износу. С течением времени молибденовые кольца стали, вероятно, основными в форсированных двигателях, так как они долговечные, относительно легко прирабатываются и более надежные.
Если вы рассчитываете на установку качественного набора колец на форсированный двигатель, надо иметь в виду несколько важных фактов для обеспечения долгой службы. В частности, на срок службы колец существенно влияет ширина колец. Узкие кольца стремятся обеспечить более качественное уплотнение при начальной приработке, но их недостатком является поверхность, которая изнашивается скорее. Таким образом, для форсированного двигателя обычного автомобиля нет смысла использовать кольца, которые уже, чем нужно. Большинство двигателей, работающих с оборотами, не превышающими 6.500 об/мин, будут работать хорошо в указанных условиях с первым и вторым компрессионными кольцами стандартной ширины. Для форсированных двигателей, работающих с оборотами, превышающими 6.000 об/мин и даже 7.000 об/мин, обычно используется верхнее компрессионное кольцо шириной 1,59 мм. Более тонкие кольца можно рассматривать как вариант только в тех случаях, когда характеристики двигателя более важны, чем долгий срок службы.
Даже если ожидаемый срок службы тонких колец может быть менее 30% от срока службы широких колец, то вы увеличите срок службы колец до желаемого и можете даже получить некоторое увеличение мощности, если приобретете специальные кольца. К сожалению, эти кольца недешевы, но их качество находится на высшем уровне. Специальные тонкие кольца производятся с различной шириной и из различных материалов, поэтому при покупке и заказе нужно четко представлять себе требования к кольцам. Если вам удастся найти правильную комбинацию, особенно, если вы подберете нужные высококачественные кольца из нержавеющей стали, используемые в авиационных двигателях для работы на высоких оборотах, то это обеспечит лучшие характеристики, чем те, которые может предложить обычная технология.
Конструкция верхних компрессионных колец
Материал поршневого кольца не является единственным критерием, который определяет, насколько хорошо будет работать кольцо в нормальных условиях и в условиях гонок (при высоких нагрузках). Общая конструкция кольца и его расположение на поршне также являются очень важными. Существует много конфигураций верхнего компрессионного кольца и различия между некоторыми из них очень трудно уловимы. К примеру, кольцо может иметь преднамеренное небольшое перекручивание. Другими словами, верхняя и нижняя поверхности кольца не лежат плоско в канавке для кольца, а слегка наклонены, и только верхний или нижний край лицевой (рабочей) поверхности контактирует с отверстием цилиндра. Кольца сконструированы таким образом, чтобы ускорить приработку поверхностей поршневых колец и стенок цилиндров и помогать уплотнению кольца в верхней и нижней частях канавки для кольца. Величина перекручивания Кольца очень мала и оно обычно делается путем стачивания фаски на внутреннем крае кольца. Фаска уменьшает небольшие напряжения вдоль внутреннего края и позволяет кольцу неравномерно «ослабиться», приводя к тому, что кольцо деформируется на 0,025 — 0,05 мм, вызывая требуемое перекручивание. Перекрученные кольца имеют все признаки обычных «плоских» колец, но разница очень незначительна.
Другим важным типом компрессионного кольца, хотя и не такого, как обычное плоское или перекрученное кольцо, является поршневое кольцо с L-образным участком, чья способность к уплотнению зависит от усилия, развиваемого давлением газов, действующих на заднюю сторону большого выступа в форме буквы «L». Только эти кольца развивают дополнительное усилие, прикладываемое к стенкам цилиндров, когда в цилиндре имеется высокое давление, например, в такте сжатия и особенно в момент после сгорания рабочей смеси. Конечно, когда высокого давления в цилиндре нет, кольцо ослабляется, уменьшая трение и износ.
Второе компрессионное и маслосъемное кольца
Основная задача второго компрессионного кольца — обеспечение дополнительного уплотнения после верхнего маслосъемного кольца. Из-за этого второе кольцо обычно «следит» только за газами, которые проходят мимо верхнего кольца, а давление и температура отличаются от значений для верхнего компрессионного кольца. Соответственно материалы и конструкция второго кольца являются менее критичными. Однако, второе кольцо имеет важную дополнительную функцию: оно помогает маслосъемному кольцу, действуя как «скребок», предотвращает попадание излишнего масла в камеру сгорания и возникновение детонации. Некоторые вторые компрессионные кольца специально сделаны скошенными, чтобы содействовать работе маслосъемного кольца, а скос наименьший у верхнего края кольца. При этом оно стремится двигаться поверх масла при движении вверх в цилиндре и будет удалять масло при движении вниз. Если удаление масла является проблемой, то такой тип кольца принудительно удаляет масло, хотя второе кольцо с плоской поверхностью вместе с маслосъемным кольцом «нормального» усилия — это все, что нужно.
Второе компрессионное кольцо без зазора является новой конструкцией, которая получила большое развитие с 60-х годов. Используемый здесь термин «без зазора» в чем-то неправильный, т. к. вообще невозможно изготовить кольцо полностью без зазора — его будет невозможно установить на поршень, и кольцо будет нерегулируемым даже при самых малых отклонениях формы отверстия цилиндра от окружности. Не обращая внимания на это, кольцо можно сделать без видимого зазора для газов, проходящих мимо кольца. При использовании этих колец двигатель прирабатывается быстрее в процессе обкатки, и он выдает немного большую мощность при проверке на стенде.
Потребность в беззазорных кольцах зависит в той или иной степени от того, как работают другие кольца. Если верхнее компрессионное кольцо обеспечивает качественное уплотнение, то беззазорное второе компрессионное кольцо менее важно. Однако, в реальности дело обстоит не так и второе беззазорное компрессионное кольцо может быть реальным средством при получении большей мощности на коленчатом валу, не допуская «вылетания» этой мощности в трубку для вентиляции картера двигателя.
Маслосъемные кольца также очень важны для функционирования форсированных двигателей, особенно при использовании низкооктанового топлива. Моторное масло, которое остается в камере сгорания, будет уменьшать октановое число топлива, что может привести к детонации. Оно также может загрязнять камеры сгорания и головки поршней, что обязательно вызовет снижение мощности двигателя.
Предполагая, что технология производства, материал и упругость колец правильные, «секрет» качественного маслосъемного кольца состоит в правильной поддержке верхней и нижней рабочих кромок центральным разделителем (расширителем). Некоторые маслосъемные кольца невысокой стоимости, однако, используют волнообразные разделители верхней и нижней кромок. Такой метод не обеспечивает правильной опоры для кромок. Когда обороты двигателя увеличиваются, силы инерции стремятся выпрямить волнообразный разделитель, что позволяет всему кольцу болтаться вверх-вниз и вкручиваться внутрь канавки. Когда это происходит, масло проходит поверх кромок; отсюда следует такое правило: не используйте маслосъемные кольца с волнообразным разделителем.
Функции и свойства поршневых колец
Тангенциальное напряжение
Поршневые кольца в разжатом состоянии имеют больший диаметр, чем когда они уже установлены. Это нужно для того, чтобы в установленном состоянии создать необходимое всестороннее прижимное усилие во внутреннем диаметре цилиндра.
Измерить давление прижима во внутреннем диаметре цилиндра на практике трудно. Поэтому диаметральная сила, которая прижимает кольцо к стенке цилиндра, высчитывается с помощью формулы из тангенциальной силы. Тангенциальная сила — это сила, которая необходима, чтобы стянуть стыковые концы на стыковой зазор (рис. 1). Тангенциальную силу измеряют при помощи гибкой стальной ленты, которая располагается вокруг кольца. Этот стальной обод стягивается тогда до тех пор, пока стыковой зазор поршневого кольца не достигает предписанного значения. Сила можетзатем считываться с динамометра. Измерение маслосъёмных поршневых колец происходит только с вложенной пружиной-расширителем. Чтобы обеспечить точность измерения, измерительная установка подвергается вибрации. Это делается для того, чтобы пружина — расширитель смогла за кольцом принять её естественную форму. Из-за их конструкции, у состоящих из трёх частей поршневых колец со стальными пластинками и с пружинным расширителем дополнительно необходима осевая фиксация колец, так как иначе стальные пластинки уходили бы в сторону, и измерение было бы невозможным. Рисунок 2 показывает схему измерения тангенциальной силы.
Рис. 1 |
Рис. 2 |
Важное указание: У поршневых колец из-за радиального износа, вызванного полусухим трением или более длительной эксплуатацией, происходит потеря тангенциального напряжения. Измерение напряжения имеет смысл только у новых колец с ещё полным поперечным сечением.
Распределение радиального давления
Радиальное давление зависит от эластичности материала, зазора в замке ненапряжённого поршневого кольца и, не в последнюю очередь, от поперечного сечения кольца. При распределении радиального давления имеются два вида основных различий. При этом, самым простым видом является симметричное распределение радиального давления (рис. 3). Оно встречается, прежде всего, у составных маслосъёмных колец, состоящих из гибкой упрочняющей вставки для кольца или из стальных пластинок с относительно низким начальным напряжением. Пружина-расширитель придавливает упрочняющую вставку и, соответственно, стальные пластинки, за которыми она лежит, к стенке цилиндра. Пружина-расширитель, которая в сжатом состоянии (монтаж) упирается в обратную сторону упрочняющей вставки или стальных пластинок, создает симметричное радиальное давление.
У компрессионных поршневых колец, предназначенных для четырёхтактных ДВС, отказались от симметричного распределения радиального давления. Вместо него используют грушевидное распределение (так называемое позитивно — овальное), чтобы при более высокой частоте вращения противодействовать вибрации стыкующих концов кольца (рис. 4). Вибрация кольца всегда начинается на стыковых концах и переходит дальше на весь его объём. Увеличение усилия прижима на стыковых концах противодействует этой вибрации, так как поршневые кольца в этой области сильнее прижимаются к стенке цилиндра и, вследствие этого, вибрация поршневого кольца уменьшается или совсем прекращается.
Рис. 3 — Симметричное распределение радиального давления |
Рис. 4 — Позитивно — овальное распределение радиального давления |
Усиление давления прижима давлением сгорания
Гораздо более важнее чем начальное напряжение поршневых колец — это усиление давления прижима давлением сгорания, которое действует на компрессионные поршневые кольца во время работы двигателя.
Около 90 % общего усилия прижима первого компрессионного кольца создаётся давлением сгорания во время рабочего такта. Давление рапределяется, как это показано на рисунке 1, за компрессионными кольцами и придавливает их ещё сильнее к стенке цилиндра. Увеличение усилия прижима оказывает влияние преимущественно на первое компрессионное кольцо, но продолжает действовать в ослабленной форме также на второе компрессионное кольцо.
Давление газа для второго поршневого кольца регулируется благодаря изменению стыкового зазора первого компрессионного кольца. Из-за немного большего стыкового зазора создаётся, например, большее давление сгорания на тыльной стороне второго компрессионного кольца, что также и здесь усиливает прижатие. При большем количестве компрессионных колец, начиная со второго компрессионного кольца, не происходит никакого увеличения давления прижима с помощью давления газа сгорания.
Маслосъёмные поршневые кольца работают на основе их начального напряжения. Из-за особенной формы колецдавление газа не может действовать здесь в качестве усилителя прижима.
Кроме того, распределение силы в поршневом кольце зависит от формы рабочей поверхности поршневого кольца. У конических и у шлифованных компрессионных колец выпуклой формы давление газа попадает также в щель между рабочей поверхностью поршневого кольца и стенкой цилиндра и действует против давления газа, которое образуется за поршневым кольцом (смотри главу 1.3.1 Компрессионные поршневые кольца).
Осевое усилие прижима, которое оказывает действие на компрессионное поршневое кольцо в нижней боковой поверхности канавки, создаётся лишь давлением газа. Начальное напряжение колец вовсе не действует в осевом направлении.
Важное указание: Во время холостого хода из-за худшего заполнения камер сгорания давления прижима колец давлением газа увеличивается, в принципе, не так сильно. Это особенно заметно у дизельных двигателей. Двигатели, которые долго работают на холостом ходу, имеют повышенный расход масла, так как маслосъёмная функция страдает при отсутствии поддержки давлением газа. Часто двигатели при газовании после длительной фазы холостого хода выбрасывают из выхлопа голубые облака масла, так как масло накопилось в камере сгорания и в выпускной системе и сжигается только при газовании.
Специфическое давление прижима
Специфическое давление прижима зависит от упругости кольца и поверхности прилегания кольца к стенке цилиндра (F х А). Чтобы удвоить специфическое усилие прижима, имеются две возможности: либо удваивают упругость кольца, либо делят пополам поверхность прилегания кольца в цилиндре. На рисунке видно, что результирующая сила (специфическое усилие прижима = сила х площадь), которая действует на стенку цилиндра, постоянно одна и та же, хотя упругость кольца удвоена или, соответственно, поделена пополам.
У более новых двигателей — тенденция к меньшей высоте кольца, так как нужно понизить внутреннее трение в двигателе. Однако, это можно осуществить только в том случае, если уменьшить эффективную поверхность соприкосновения кольца со стенкой цилиндра. При уменьшении высоты кольца вполовину, уменьшается также в два раза упругость поршневого кольца и, вместе с тем, трение.
Так как оставшаяся сила действует на более маленькую площадь, специфическое давление прижима на стенку цилиндра (сила х площадь) при половине площади и половине напряжения остаётся таким же, как при двойной площади и двойном напряжении.
Рис. 2 |
Рис. 3 |
Внимание
Одна только упругость кольца не может использоваться для оценки усилия прижима и уплотняющих качеств. Поэтому при сравнении поршневых колец также всегда необходимо обращать внимание на размер рабочей поверхности.
Тепловой зазор
Тепловой зазор — это важная особенность конструкции для обеспечения работы поршневых колец. Это можно сравнить с зазором у впускного и выпускного клапанов. При нагреведеталей из-за естественного теплового расширения происходит их удлинение или увеличение ихдиаметра. В зависимости от разницы между температурой окружающей среды и рабочей температурой необходим больший или меньший зазор, измеренный в холодном состоянии, чтобы обеспечить функционирование при рабочей температуре.
Основным условием для правильного функционирования поршневых колец является возможность свободного вращения колец в канавках. Если бы поршневые кольца застревали в канавках, то они не могли бы ни уплотнять, ни отводить тепло. Тепловой зазор, который должен существовать ещё также и при рабочей температуре, гарантирует, что объём поршневого кольца, благодаря его тепловому расширению, всегда будет меньше, чем объём цилиндра. Если бы тепловой зазор из-за теплового расширения полностью исчез, то стыковые концы поршневого кольца были бы прижаты друг к другу. При ещё большем давлении поршневое кольцо должно даже деформироваться, чтобы компенсировать изменение длины,причиной которого является нагрев. Так как раздвижение поршневого кольца из-за теплового расширения в радиальном направлении невозможно, изменение длины может компенсироваться только в осевом направлении. На рисунке 2 показано, как деформируется кольцо, если становится слишком тесно во внутреннем диаметре цилиндра.
Рис. 1
Рис. 2 |
Следующие вычисления показывают на примере поршневого кольца с диаметром в 100 мм, как изменяется длина окружности кольца при рабочей температуре.
Пример:
диаметр цилиндра d 100 мм
температура окружающей среды tt 20°С
рабочая температура t2 200°С
коэффициент упругости чугуна а 0,000010
длина окружности поршневого кольца
U = d х п
U = 100 х 3,14 = 314 мм U = 12
изменение длины поршневого кольца при рабочей температуре
Д1 = 11 х а х Дt Д1 = 11 х а х (t2 — t1)
Д1 = 314 х 0,000010 х 180 = 0,57 мм
Чтобы функция была правильной, для этого примера нужен тепловой зазор минимум 0,6 мм. Расширяются, однако, не только поршень и поршневые кольца, но и внутренний диаметр цилиндра становится больше из-за нагрева при рабочей температуре. По этой причине тепловой зазор снова может быть несколько меньше. Внутренний диаметр цилиндра расширяется при воздействии тепла всё-таки далеко не так сильно, как поршневое кольцо. С одной стороны, структура блока цилиндров жёстче чем структура поршня, с другой стороны, поверхность цилиндра не становится такой горячей как поршень с поршневыми кольцами.
К тому же увеличение диаметра цилиндра, благодаря тепловому расширению по всей его рабочей поверхности не одинаково. Внутренний диаметр цилиндра под влиянием тепла от сгорания в верхней части будет сильнее расширяться, чем в нижней части. Из-за неравномерного теплового расширения внутреннего диаметра цилиндра происходит отклонение от цилиндрической формы, которая принимает лёгкую форму воронки (рис. 3).
Рис. 3 |
Уплотнительная поверхность поршневого кольца
Поршневые кольца уплотняют не только на рабочей, но и на боковой поверхности. Уплотнение на рабочей поверхности отвечает за уплотнение между кольцом и стенкой цилиндра; нижняя боковая поверхность канавки — за уплотнение обратной стороны кольца. Поэтому необходим хороший контакт не только кольца со стенкой цилиндра, но и с нижней боковой поверхностью кольцевой канавки поршня. Если этого контакта нет, то масло или отработавшие газы могут пройти мимо обратной стороны кольца.
С помощью рисунков можно очень легко представить, что из-за износа (грязи и длительной эксплуатации) уплотнение обратной стороны кольца больше не гарантируется, и что увеличивается передача газа и масла по кольцевой канавке. Поэтому оснащать изношенные кольцевые пазы новыми кольцами безнадёжная затея. Неровности боковой поверхности канавки мешают уплотнению кольца, а расширенная в высоту канавка допускает больше свободы движения для него. Так как кольцо из-за слишком большого зазора по высоте неправильно лежит в канавке, кольцо гораздо легче отделяется от боковой поверхности канавки, откачивается масло (рис. 2 и 3), кольцо вибрирует и ухудшается герметизация. Кроме того, рабочая поверхность кольца становится чрезмерно выпуклой. Это является причиной возникновения слишком толстой масляной плёнки и повышенного расхода масла.
Рис. 1
Рис. 2 — Такт впуска |
Рис. 3 — Такт сжатия |
Дросселирующая щель и просачивание газов из камеры сгорания в картер двигателя
Так как с помощью используемых в моторостроении поршневых колец невозможно достичь в конструкции 100%-ной герметизации от газов, то происходит утечка газов, так называемых Blow-by-газов (газов, проникших в картер двигателя из камеры сгорания). Отработавшие газы попадают через самые маленькие зазоры в поршне и поршневых кольцах в кривошипную камеру. При этом количество просачивающегося газа определяется величиной дросселирующего окна. Она результируется из теплового и рабочего зазоров поршня. В действительности дросселирующее окно по сравнению с представленным на графике — микроскопически маленькое. Как правило, для расчёта максимального прорыва газов из камеры сгорания в картер двигателя берут примерно 1 % всасываемой воздушной массы. В зависимости от положения поршневого кольца при эксплуатации производится больше или меньше Blow-by-газов. Если в кольцевых канавках стыковые зазоры первого и второго компрессионных поршневых колец конгруэнтны, то из камеры сгорания в картер двигателя просачивается больше газов. При постоянной эксплуатации это происходит периодически, так как кольца вращаются в канавках со скоростью в несколько оборотов в минуту. Если стыковые зазоры лежат точно напротив друг друга, просачивающийся газ имеет, конечно, ещё один дополнительный путь через уплотняющий лабиринт, так что утечка газа сокращается. Газ, проникший в кривошипную камеру из камеры сгорания, направляется через систему вентиляции картера назад в такт впуска и сжигается. Причиной для этого являются вредные для здоровья качества газов. Благодаря повторному сжиганию в двигателе они обезвреживаются. Кроме того, вентиляция кривошипной камеры необходима, так как избыточное давление в ней привело бы к повышенному выделению масла на радиальныхуплотнительных кольцах для вала.
Если просачивание газов из камеры сгорания в картер двигателя усилено, это указывает либо на значительный износ поршневых колец по прошествии длительного срока эксплуатации, либо днище поршня обнаруживаетужетрещины, позволяющие попадать отработавшим газам в кривошипную камеру. Но также и неправильные геометрическиехарактеристики цилиндра ведут к усиленному просачиванию газов из камеры сгорания в картер двигателя. У стационарных двигателей или двигателей испытательного стенда просачивание газов из камеры сгорания в картер двигателя постоянно измеряется, контролируется, а также используется в качестве предупредительного индикатора для возникающих повреждений двигателя. Если измеренное количество газа, просачившегося из камеры сгорания в картер двигателя, превосходит максимально допустимую величину, двигатель автоматически прекращает работу. Благодаря этому можно избежать серьёзных и дорогостоящих повреждений двигателя.
Зазор кольца по высоте
Зазор кольца по высоте (рис. 1) не является результатом износа в кольцевой канавке. Зазор по высоте — это важная функциональная величина, для того, чтобы обеспечить правильное функционирование поршневых колец. Зазор кольца по высоте гарантирует, что кольца могут свободно двигаться в кольцевых канавках .
Он должен быть по величине таким, чтобы кольцо при рабочей температуре не заедало и чтобы достаточное давление сгорания могло проникнуть в канавку и распределиться за кольцом .
Однако, зазор кольца по высоте не может быть в обратном смысле слишком большим, так как кольцо вследствие этого немного отклоняется от оси. В результате у кольца появляется склонность к вибрации , а также к повышенному скручиванию колец. Из-за этого поршневые кольца изнашиваются (чрезмерно сильная выпуклость рабочей поверхности) и появляется повышенный расход масла .
Рис. 1
Скручивание колец
Внутренние углы или внутренние фаски у поршневых колец вызывают в натянутом (установленном) состоянии их скручивание. В демонтированном, ненатянутом состоянии скручивание не происходит (рис. 1), и кольцо ровно лежит в кольцевой канавке. Если кольцо установлено, т.е. натянуто, оно отклоняется к более слабой стороне, туда, где из-за внутренней фаски или внутреннего угла отсутствует материал. Кольцо скручивается. В зависимости от положения фаски или угла на нижней или верхней кромке говорят о положительно или отрицательно скрученном поршневом кольце (рис. 3 и 4).
Рис. 2 — Кольца не напряжены Скручивание еще не действует |
Рис. 3 — Положительное скручивание |
Рис. 4 — Отрицательное скручивание |
Скручивание кольца в условиях эксплуатации
У положительно и отрицательно скрученных колец скручивание эффективно, если на нихнедействуетникакоедавлениесгорания (рис. 5). Кактолькодавление сгорания начинает действовать в кольцевой канавке, поршневое кольцо прижимается к её нижней боковой поверхности, что ведёт за собой улучшенный контроль расхода масла (рис. 6).
Положительно скрученные цилиндрические и конические компрессионные поршневые кольца обладают в принципе хорошими маслосъёмными свойствами. При возникающем трении на стенке цилиндра при движении поршня вниз кольцо может, тем не менее, немного отделиться от нижней боковой поверхности канавки, так что масло всё же попадает в зазор и расходуется.
Отрицательно скрученное кольцо уплотняет в нижней боковой поверхности снаружи и в верхней боковой поверхности внутри. Вследствие этого проход в канавку маслу преграждён. Поэтому с помощью отрицательно скрученных колец можно оказывать положительное влияние на расход масла, особенно в режиме частичной нагрузки и при пониженном давлении в камере сгорания (режим принудительного холостого хода). У отрицательно скрученных конических компрессионных поршневых колец угол рабочей поверхности, составляющий примерно 2°, немного больше чем у обычных конических компрессионных поршневых колец. Это необходимо, так как из-за отрицательного скручивания угол частично исчезает.
Рис. 6 |
Способность поршневого кольца прилегать к поверхности цилиндра по всему периметру
Под способностью поршневого кольца прилегать к поверхности цилиндра по всему периметру понимаютто, как хорошо прилегает кольцо к форме стенки цилиндра, чтобы достичь хорошей герметизации. Эта способность поршневого кольца зависитотэластичности кольца и, соответственно, кольцевой детали (маслосъёмные поршневые кольца, состоящие из двух частей) или стальных пластинок (маслосъёмные поршневые кольца, состоящие из нескольких частей), а также и от давления прижима кольца / кольцевой детали к стенке цилиндра. При этом способность поршневого кольца прилегать к поверхности цилиндра по всему периметру тем лучше, чем эластичнее кольцо / кольцевая деталь и чем больше давление прижима. Большая толщина и большое поперечное сечение кольца приводят к большой жёсткости и вызывают по причине более высокого веса также большие силы инерции. Поэтому по способности прилегать к поверхности цилиндра по всему периметру такие кольца уступают кольцам меньшей ширины и с меньшим поперечным сечением и, вместе с тем, с меньшими силами инерции.
Очень хорошей способностью прилегать к поверхности цилиндра по всему периметру обладают маслосъёмные поршневые кольца, состоящие из нескольких частей, так как они имеют очень гибкие кольцевые детали или стальные пластинки без того, однако, чтобы одновременно быть упругими,
Как уже описано этой брошюре, усилие прижима у маслосъёмных поршневых колец, состоящих из нескольких частей, появляется от пружины-расширителя. Кольцевая деталь или также стальные пластинки очень гибки и хорошо подгоняются.
Хорошая способность прилегать к поверхности цилиндра по всему периметру важна особенно тогда, когда по причине отклонения от формы появляются отклонения от круглости и неровности поверхности цилиндра. Они происходят из-за перекосов (термических и механических), а также из-за ошибок при обработке и монтаже. Смотри также главу 2.3.5 Геометрические характеристики цилиндра и круглость,
Движение поршневых колец
Вращение кольца
Чтобы иметь возможность отлично приработаться и уплотнять, поршневые кольца должны вращаться в кольцевых канавках. Вращение кольца возникает как из-за структуры хонингования (перекрёстная сетка шлифовочных штрихов), так и из-за перекоса поршня в его верхней и нижней мёртвых точках. При меньшихуглаххонингования кольца вращаются меньше, при большихже частота вращения кольца увеличивается. Кроме того, вращение кольца зависит от частоты вращения двигателя. От 5 до 15 оборотов в мин. — это реалистические значения частоты вращения, и это только для того, чтобы только получить представление об объёме вращения кольца. У двухтактных ДВС кольца защищены от перекручивания. Вследствие этого нет перекручивания колец и исключается попадание стыковых концов в газовые каналы при разжиме колец. Двухтактные ДВС находят в основном применение в двухколёсных транспортных средствах, садово-огородном инвентаре и им подобных. При этом нужно примириться и с возникающим из-за предотвращённого вращения кольца их неравномерным износом, возможным нагарообразованием в кольцевых канавках, а также с ограниченной продолжительностью срока действия. Помимо того, вид применения с самого начала предполагает меньший срок службы двигателя. К пробегу автомобилей с нормальным четырёхтактным ДВС, которые передвигаются по дороге, предъявляются гораздо более высокие требования.
Перекручивание стыковых концов кольца при монтаже на 120° по отношению друг к другу служит лишь для лучшего запуска нового двигателя. Позднее, уже в режиме работы возможно каждое мыслимое положение поршневых колец в пределах кольцевой канавки,если вращению ничего не препятствует с точки зрения конструкции (двухтактные ДВС).
Вращение вокруг оси
В идеальном случае кольца лежат на нижней боковой поверхности канавки. Это важно для механизма герметизации, так как кольца уплотняют не только на рабочих, но и на нижних боковых поверхностях. Нижняя боковая поверхность канавки уплотняет кольцо от газа или просачивания масла на обратную сторону кольца. Рабочая поверхность поршневого кольца уплотняет переднюю часть, прилегающую к стенке цилиндра (смотри также главу 1.6.6 Уплотнительная поверхность поршневого кольца).
Из-за движения поршня вверх и вниз и из-за изменения направления на кольца также оказывают действие центробежные силы, которые позволяют кольцам подниматься над нижней боковой поверхностью канавки. Масляная плёнка в канавке смягчает вызванное центробежными силами поднятие поршневых колец с ее нижней боковой поверхности. При этом в основном возникают проблемы, если кольцевые канавки из-за износа стали шире и, вследствие этого, появился слишком большой зазор кольца по высоте. Это приводит к тому, что кольцо поднимается с его опорной поверхности в поршне и вибрирует, начиная, прежде всего, со стыковых концов. Происходит потеря уплотняющего эффекта поршневого кольца и увеличивается расход масла. Это случается, прежде всего, при такте впуска, если при движении поршня вниз и при возникающем пониженном давлении в камере сгорания кольца отделяются со дна канавки и масло на обратной стороне кольца всасывается в камеру сгорания. При трёх остальных тактах давление из камеры сгорания прижимает кольца к нижней боковой поверхности,
Радиальное движение
Собственно, не кольца передвигаются в радиальном направлении туда-сюда, а поршень благодаря своему реверсивному движению в пределах внутреннего диаметра цилиндра соприкасается то с одной, то с другой стенкой цилиндра. Это происходит как в верхней, так и в нижней мёртвых точках поршня. Вследствие этого появляется радиальное движение кольца в пределах кольцевой канавки. Это ведёт не только к истиранию образующегося слоя масляного нагара (особенно у поршневых колец с поперечным сечением в форме трапеции), но и и в сочетании с перекрёстным шлифованием к вращению кольца.
Скручивание колец
Рис. 3 |
Рис. 4 |
Благодаря силе инерции,скручиванию колец и зазору по высоте, кольца совер шаюттакое движение, как изображено на рисунке. Как уже описано в главе 1.5.6 Выпуклая форма рабочей поверхности, поршневые кольца со временем становятся выпуклыми, если они уже с самого начала не были вы пуклыми.
виды, функции, поломки и их устранение
Поршневые кольца – неотъемлемый элемент любого ДВС. Они устанавливаются в специальные канавки с малым зазором, расположенные на поршнях. В данной статье рассмотрим, какие бывают поршневые кольца, их функции и обслуживание.
Виды поршневых колец
Поршневые кольца бывают маслосъемными и компрессионными.
Первые служат для удаления излишков масла с поршня, уплотнительных колец и цилиндра. Но, при этом, после прохода этих колец на поверхностях остается тонкая масляная пленка в несколько микрон. В канавке детали располагаются радиальные отверстия или прорези по которым собранное моторное масло возвращается в поддон.
Существуют составные маслосъемные кольца с пружинами-расширителями и чугунные литые с прорезью. Первые состоят из двух тонких колец, радиального и осевого расширителей. Их производство недорогое, поэтому такие детали встречаются чаще литых чугунных. Некоторые поршни оснащаются двумя составными или литыми кольцами. Для того, чтобы стабилизировать прижим чугунные кольца дополняются пружинным расширителем.
Компрессионные кольца отвечают за изоляцию камеры сгорания. На поршни ставится не более 3 таких деталей. Это связано с тем, что увеличиваются потери на трение, а уплотнение поршня возрастает не на много.
Выделяют верхние и вторые компрессионные кольца. Первые ускоряют приработку и обеспечивают уплотнение детали в нижней и верхней части посадочной канавки.
Второе компрессионное кольцо дополнительно герметизирует камеру после маслосъемного кольца. Оно предотвращает попадание газов в картер. Дополнительно оно препятствует проникновению излишков мотороного масла в камеру сгорания и предупреждает детонацию.
Функции поршневых колец
Обобщая вышесказанное, можно выделить следующие функции поршневых колец:
- Компрессия. Кольца изолируют камеру сгорания от картера, благодаря чему топливо более эффективно сжимается в камере. Достигается это за счет того, что газы, образующиеся при сгорании смеси не проникают между поршнем и цилиндром, так как компрессионные кольца это предотвращают
- Экономия моторного масла. Достигается за счет работы маслосъемных колец, которые убирают часть смазки с поверхностей цилиндра и направляют ее в картер
- Теплообмен. Кольца передают тепло от поршня к стенкам цилиндра. При вопламенении топливно-воздушной смеси внутри камеры возникают температуры до +300 °C. Если не будет отвода тепла, то двигатель может выйти из строя
- Уменьшение горизонтальных колебаний поршня. Плотно посаженные кольца удерживают поршень строго в горизонтальном направлении и не дают ему «гулять». Благодаря этому предотвразается износ ЦПГ двигателя
Конструкционные материалы для поршневых колец
Поршневые кольца изготавливают из высококачественного ковкого или серого чугуна, либо легированной стали. Чугунные дешевле, легче и быстрее прирабатываются, но у стальных термостойкость и предел прочности выше. Помимо этого стальные кольца требуют нанесения твердого приработочного антифрикционного покрытия.
Чаще всего устанавливают верхние стальные кольца с оловянным или пористым хромовым покрытием, вторые – с молибденовым напылением, наносимым посредством легирования, либо чугунные без него. Маслосъемные кольца в этом случае используют стальные наборные или чугунные.
В двигателях, ресурс которых не превышал 100 тыс. км использовались чугунные кольца без какого-либо покрытия. Это было вынужденным решением, так как точность старых деталей была мала. Кроме того, количество колец было от 4 до 6, а их высота была больше.
Современные силовые агрегаты оснащаются большим количеством колец в случае, если они имеют большие габариты. Подобные действия позволяют обеспечить более эффективный отвод тепла от поршня.
Типичные неисправности поршневых колец
Износ поршневых колец вызывает увеличение зазора между стенками цилиндра и поршнем. Это приводит к тому, что при воспламенении топливно-воздушной смеси газы проникают в картер и снижают эффективность работы ДВС. Это также влияет и на характеристики и срок службы моторного масла.
То же самое происходит и при залегании колец. Раскаленные газы проникают из камеры сгорания и разрушают масло, вследствие чего в кольцевых каналах образуются отложения. Кроме того могут появляться побочные продукты сгорания бензина.
Из-за тяжелых отложений кольца в канавках залегают, вследствие чего снижается подвижность поршня и образуется зазор между кольцом и стенкой цилиндра. Это приводит к прорыву картерных газов и повышению расхода моторного масла.
Износ поршневых колец определить легко. Например, синий дым, выходящий из выхлопной трубы, свидетельствует о повышенном расходе масла. Он особенно заметен при холодном пуске ДВС.
Вместе с поршневыми кольцами изнашиваются, как правило, юбки поршней. И если поврежденные кольца нуждаются исключительно в замене, то состояние поршней можно улучшить при помощи специальных антифрикционных покрытий — к примеру, MODENGY Для деталей ДВС.
Данный материал обладает широким диапазоном рабочих температур (от -70 до +260 °C), способствует снижению трения и износа поршней, защищает юбки от задиров. Применение покрытия снижает расход топлива, повышает мощность двигателя и уменьшает шум прие го работе.
Примечательно, что MODENGY Для деталей ДВС отверждается при комнатной температуре, не требует дополнительного оборудования для нанесения, так как имеет удобную аэрозольную фасовку.
Совместно с покрытием рекомендуется использовать Специальный очиститель-активатор MODENGY. Он не только убирает разнородные загрязнения с поверхностей, но и образует пленку, улучшающую адгезию покрытия.
Замена поршневых колец
Чтобы снять поршневые кольца нужно их края в области замка развести до тех пор, пока деталь не покинет канавку на поршне. Это делается при помощи специальных щипцов или небольшой плоской отвертки.
После этого канавки очищаются от нагара при помощи специального инструмента или старого компрессионного кольца, сломанного на две части.
Затем следует обратиться к инструкции по установки новых колец, которая находится в комплекте с деталями.В ней описывается последовательность установки и правильное расположение деталей.
После очистки нужно проверить канавки на предмет повреждения их радиусов и боковых поверхностей.
Установку новых колец начинают с нижнего. Процедура выполняется при помощи специального цангового устройства.
После установки проверяются зазоры боковых поверхностей. Если они превышают 0,1 мм, то поршни следует заменить.
При монтаже также следует обращать внимание на износ зеркала цилиндра. Если он превышает 0,1 мм, то блок цилиндров перегильзовывается или растачивается под размер ремонтных поршней.
После замены в течение 3-5 тыс. км производится обкатка двигателя. Она включает в себя стандартные действия: прогрев двигателя, запрет на длительный простой на холостых оборотах, движение с высокими оборотами, движение с малой скоростью на повышенных передачах и т.д. По прошествии данного отрезка двигатель не следует подвергать нагрузкам еще 5-10 тыс. км.
Поршневые кольца. Назначение, требования, классификация. Формы уплотнительных колец. Материалы поршневых колец. Влияние выбора материала на конструкцию кольца и поршневой группы.
Конструирование элементов КШМ ДВС
Основные конструктивные элементы поршневого ДВС. Классификация поршневых двигателей. Компоновочные схемы поршневых двигателей. Комбинированные ДВС.
Кривошипно-шатунный механизм служит для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленвала. Он состоит из двух групп деталей: неподвижных и подвижных. К неподвижным деталям относятся: блок цилиндров, головки блока цилиндров, гильзы, крышка и картер маховика. К подвижным – поршни с кольцами и пальцами, шатуны, коленвал и маховик. Кривошипно-шатунный механизм может быть центральным, когда оси коленвала и цилиндров лежат в одной плоскости, или смещенным, когда оси коленвала и цилиндров лежат в разных плоскостях.
Механизм газораспределения предназначен для своевременного впуска в цилиндр горючей смеси и выпуска отработавших газов. Выполняются по двум конструктивным схемам: с верхним и нижним расположением коленвалов. Основные детали механизма газораспределения: впускные и выпускные клапана, коромысло, штанга, толкатель, распредвал.
Классификация поршневых двигателей.
1) По способу преобразования энергии давления газов во вращательное движение
a) поршневые двигатели с КШМ
b) РПД
c) кулисные
2) По роду применяемого топлива:
a) на жидком топливе
b) газовые
c) комбинированные
3) По способу осуществления рабочего цикла
a) 2-х тактные
b) 4-х тактные
4) По способу воспламенения рабочей смеси:
a) с воспламенением от сжатия
b) с принудительным воспламенением
5) По способу охлаждения цилиндра
a) жидкостного охл.
b) воздушного
6) По способу смесеобразования:
a) с внешним смесеобразованием
b) с внутренним смесеобразованием
7) По способу наполнения рабочего цилиндра:
a) без наддува
b) с наддувом
Наддув – увеличение наполнения цилиндра двигателя воздухом путем увеличения давления на впуске.
Комбинированные двигатели – это двигатели, состоящие из поршневой части и нескольких компрессионных машин, а также из устройств подвода и отвода тепла, объединенных общим рабочим телом.
Комбинированные двигатели бывают:
— с механической связью (рисунок а )
— с газовой связью (рисунок б )
Для схемы а) «+» мощность турбины и компрессора могут быть различны.
Поршневая группа. Состав функции. Основные требования к конструкции поршня. Конструктивная реализация указанных требований. Обоснование формы поршня.
Состав поршневой группы:
1. поршень
2. уплотнительные, маслосъемные кольца
3. палец (поршневой)
4. ограничитель осевого перемещения поршневого пальца.
Функции поршневой группы:
1. воспринимать усилия от давления газов и сил инерции и передает их на шатун.
2. передает боковое давление от нормальной силы на стенку цилиндра.
3. обеспечивает герметичность внутри цилиндра.
4. выполняет роль золотникового устройства.
Основные требования к конструкции поршня:
1) Обеспечение герметичности от пропуска газов.
2) Эффективный отвод тепла от днища поршня в стенку цилиндра.
3) Минимальная тепловосприимчивость во внешней поверхности днища.
4) Повышенная износостойкость.
5) Обеспечение минимального расхода масла.
6) Минимальная масса при достаточной жёсткости и прочности.
7) Макс. Срок работы до первой переборки.
Поршни бывают:
— цельные
— составные
по охлаждению:
— с охлаждающей головкой
— без охлаждающей головки
В составных поршнях отъёмная головка изготовлена из жаропрочного материала. Форма поршня и его основные размеры определяются в 1-ю очередь условиями отвода воспринимаемого им тепла. Часть тепла отводится на подогревание рабочей смеси.
Форма поршня.
Поршень должен иметь наиболее простую (цилиндрическую) форму и по возможности симметричную относительно оси.
Форма днища определяется способом смесеобразования:
1. Плоское днище – наиболее распространено в двигателях с внешнем смесеобразованием.
«+» простота изготовления (min площадь соприкосновения с горячими газами)
2. Вогнутое – имеет благоприятную форму камеры сгорания, приближенную к сферической, при
непосредственном впрыске.
3. Выпуклое днище – придает повышенную жесткость, менее склонен к образованию масленого нагара (используют в 2-х тактных двигателях) придает необходимое направление течения газов при продувке.
4. Клиновое днище – на ДВС с верхними клапанами
- Фигурное днище – с внутреннем смесеобразованием и центральным расположением форсунки; эта форма согласована с конфигурацией топливных факелов. Топливо не попадает на стенку цилиндра: ¯ расход, ¯ разжижение масла в цил.
- Камера сгорания выполнена в поршне – это обеспечивает
пленочное и объемно-пленочное смесеобразование.
- Камера сгорания прикрытого типа – теплонапряженность самая высокая
А 4 5
6 7
RMAX необходим для: теплоотвода, ¯напряжений
Распределение температуры в поршне. Анализ распределения температуры. Доли отвода тепла отдельными элементами поршня. Материалы поршней. Дефекты поршней. Конструктивные мероприятия по предотвращению указанных дефектов.
Тепловое состояние.
- Участок с мах Т в центре днища представляет собой эллипс, вытянутый перпендикулярно оси поршневого пальца.
- Основной теплоперепад имеет место между днищем и нижнем поршневым кольцом.
- Падение Т в днище относительно невелико.
- Юбка поршня имеет одинаковую температуру.
Алюминиевый поршень имеет меньшую температуру, чем чугунный при прочих равных условиях. Температура поршня с воздушным охлаждением на 30 -50% выше чем с водным.
Для изготовления поршней используют следующие материалы:
1. Серый ковкий чугун СЧ 24-44; СЧ28-48
для напряженных конструкций – ВЧ45 – высокопрочный чугун, обладает высокой износостойкостью и прочностью, низкий коэффициент линейного расширения.
2. Легкие литейные сплавы: Al 1, Al 10, Al 19 – хорошие литейные свойства, низкий коэффициент линейного расширения.
Деформируемые алюминиевые сплавы (ковкие сплавы) – АК2, АК4 (уменьшенная масса, высокая теплопроводность, высокая степень сжатия)
«+» алюминиевые сплавы менее склонны к нагарообразованию
«–» плохая работа на холодном двигателе, плохие механические качества, низкая теплостойкость, высокая стоимость.
3. Стали. Используются жаропрочные сплавы.
4. Титан. Сложно обрабатывать.
Дефекты поршней:
— перегрев поршня, сопровождается отпуском материала, ¯ механических свойств, ¯ твердости. Развиваются микротрещины, приводящие к выкрашиванию материала.
Выход: использовать материалы с высокой теплостойкостью.
— эрозия и коррозия поршня (днища) под действием горячих газов.
Выход: механическая обработка днища поршня, оксидирование, хромирование, никелирование.
— износ боковой поверхности (зависит от качества масла)
Поршневые кольца. Назначение, требования, классификация. Формы уплотнительных колец. Материалы поршневых колец. Влияние выбора материала на конструкцию кольца и поршневой группы.
Поршневые кольца предназначены для предотвращения прорыва газов между поршнем и стенкой цилиндра, а также для удаления лишнего масла со стенок цилиндра, препятствуя проникновению его в камеру сгорания. Кроме того, поршневые кольца отводят тепло от головки поршня к стенкам цилиндра.
По назначению подразделяются на:
— компрессионные
— маслосъемные
Около 50% механических потерь осуществляется через кольца.
Верхнее поршневое кольцо нагревается до 350-400 º, через него отводится самое большое количество тепла, оно работает в условиях плохой смазки.
Маслосъемные кольца: устанавливаются на поршне за компрессионными.
Они делятся на:
— однокромочные — двухкромочные — составные кольца
Однокромочные: «+» кромка, соскабливающая масло со стенок цилиндра, излишки масла через отверстия уйдут на смазку поршневого пальца.
Двухкромочные: «+» также содержит канал для удаления избытка масла.
Составные кольца: «+» при деформации ведут себя более гибко, сохраняют уплотняющие функции при перекосах.
Требования к поршневым кольцам:
1. плотное прилегание к поверхности цилиндра и опорным поверхностям канавок поршня (геом. услов.).
2. небольшое начальное давление (0,5-20 кг/см2) на стенку цилиндра (силовые условия).
-площадь контакта уменьшается, давление на стенку цилиндра увеличивается.
— «скребковый вид»
— «минутные кольца» быстрей прирабатываются
скручивающиеся кольца. деформации косого изгиба
— они во время работы скручиваются, больше ресурс, хуже уплотняющие свойства
— трапециевидные кольца, удаляет излишки масла со стенок цилиндра; зазор постоянно меняется по величине.
Уплотняющее действие поршневых колец
Уплотняющие действия достигаются:
1. прижатием колец к поверхности цилиндра.
2. в результате образования системы поршневых каналов и зазоров сложного лабиринта.
При сжатии поршневого кольца:
— за счет собственной силы упругости колец (0,5 — 30) кг/см2
— за счет давления газов проникающих через зазоры в канавку (30 — 40) кг/см2
Материалы поршневых колец: чугун, сталь.
Требования:
1. Механическая прочность при высоких температурах.
2. Износостойкость.
3. Низкий коэффициент трения при высоких температурах.
Чугун: серый (Ч), высокопрочный (ВЧ)
СЧ18-36; СЧ24-44…
Покрытие стальных колец:
-покрытие молибденом (очень дорого), азотирование (большая вредность), титановое покрытие + азотирование = нитрид титана (высокая твердость).
Сталь: Х12М; 65Г