2.5.2. Шатунно-поршневая группа

Шатунно-поршневая группа входит в состав кривошипно-шатунного механизма. К ней относят поршень, поршневые кольца (компрессионные и маслосъемные), поршневой палец, стопорные кольца, шатун, шатунные вкладыши, крышку шатуна, шатунные болты. Кривошипно-шатунный механизм рядного двигателя с шатунно-поршневой группой показан на рис. 2.18.

Кривошипно-шатунный механизм рядного двигателя

Рис. 2.18. Кривошипно-шатунный механизм рядного двигателя:
1 — венец маховика; 2 — пальцы ведущие; 3 — маховик; 4 — поршень; 5 — поршневой палец; 6 — кольцо стопорное; 7 — шатун; 8 — вкладыш шатуна верхний; 9 — коленчатый вал; 10 — блок распределительных шестерен; 11 — крышка шатуна; 12 — вкладыш шатуна нижний; 13 — винт стопорный венца маховика

Верхняя часть поршня вместе со стенками цилиндра (гильзы) и поверхностью камеры сгорания образует рабочее пространство, в котором происходят рабочие процессы ДВС.

Поршень при работе двигателя воспринимает знакопеременные силы давления газов и инерции, боковые силы, силы трения. Поршень контактирует с горячим рабочим телом, температура которого может достигать 2 500 °С. При этом тело поршня нагревается до 250…300 °С, что приводит к возникновению термических напряжений. Дополнительные нагрузки воспринимают канавки и торцовые кромки поршня.

В этой связи к поршню предъявляются следующие требования: они должны быть прочными, обладать износостойкостью, иметь минимальную массу, хорошо без перегрева отводить поглощаемую теплоту.

Например, в поршне 6 (рис. 2.19) тракторного двигателя различают головку (верхнюю уплотняющую часть) с днищем и канавками для компрессионных колец 1—3 и верхнего маслосъемного кольца 4, а также нижнюю направляющую часть (юбку) с бобышками для поршневого пальца и нижнего маслосъемного кольца 4'.

Поршень в сборе с кольцами на примере тракторного дизеля

Рис. 2.19. Поршень в сборе с кольцами на примере тракторного дизеля:
I, 2 ,3 — компрессионные кольца соответственно верхнее, среднее и нижнее; 4, 4’ — верхнее и нижнее маслосъемные кольца; 5 — радиальный расширитель; 6 — поршень

Днище поршня непосредственно воспринимает давление газов и температурное воздействие горячего рабочего тела. Для лучшего отвода теплоты и увеличения прочности поршня днище с внутренней стороны снабжено ребрами жесткости. Снаружи днище может быть плоским, вогнутым, выпуклым, фасонным.

У бензиновых двигателей преобладает плоская форма. Плоские днища просты в изготовлении, имеют наименьшую площадь соприкосновения с горючими газами, из-за чего воспринимают наименьшее количество теплоты.

В дизелях широко применяют вогнутые фасонные днища, поверхность которых образует камеру сгорания. Такая камера обеспечивает качественное смесеобразование и сгорание топлива. Форма фасонного днища зависит от способа смесеобразования в дизеле, расположения клапанов и форсунок.

Наиболее распространенные формы днищ поршней дизелей представлены на рис. 2.20.

Формы днищ поршней дизелей

Рис. 2.20. Формы днищ поршней дизелей:
а — Д-144 и Д-21А1; б – СМД, А-03, ЯМЗ, КамАЗ; в — Д-245, Д-160

Юбка поршня служит для направления движения поршня в цилиндре и передачи на его стенки боковых нормальных сил. Длина направляющей части зависит от величины бокового давления, которое достигает наибольшей величины в плоскости движения шатуна. Для максимального облегчения поршня и уменьшения трения ненагруженные части юбки срезают по диаметру и высоте.

Юбке поршня придают форму эллипса с учетом неравномерности ее теплового расширения и деформации. Большая ось эллипса расположена в плоскости, перпендикулярной оси поршневого пальца. В нагретом состоянии юбка приобретает форму цилиндра. Такая конструкция юбки позволяет обеспечивать работу поршней без стуков в холодном состоянии и исключает заклинивание при прогреве.

Тепловое расширение поршня неравномерно и по высоте, поэтому головке поршня придают цилиндрическую форму и изготовляют меньшим диаметром, чем у юбки. Боковая поверхность юбки может быть ступенчатой, конусной или бочкообразной. Юбка бочкообразной формы (поршни двигателей ЯМ3, ЗИЛ и др.) лучше, чем юбки других форм, сопрягается с цилиндром в рабочем состоянии и обеспечивает уменьшение стука поршня при переходе через ВМТ. Для снижения нагрева юбки от более горячей головки в некоторых поршнях бензиновых двигателей делают П- или Т-образные прорези. Для улучшения приработки поршней к цилиндрам и уменьшения изнашивания стенки поршней часто покрывают тонким слоем олова, тогда как поршень может изготовляться из специального алюминиевого или магниевого сплава, а также из чугуна.

Поршневые кольца должны обеспечивать уплотнение в месте контакта полости камеры сгорания и картера, отвод теплоты от головки поршня к стенкам цилиндра, предотвращать прорыв (утечку) газов и попадание масла в камеру сгорания из картера двигателя. С учетом этого применяют два типа колец: компрессионные и маслосъемные.

Работу компрессионных поршневых колец, а именно их уплотняющее действие можно проследить на схеме рис. 2.21, а. Уплотняющее действие обеспечивается за счет упругости колец и благодаря высокому сопротивлению перетекающему газу из камеры сгорания в картер в лабиринте кольца —торцовые канавки поршня— цилиндр. Число колец зависит от величины давления газов в цилиндре и быстроходности двигателя.

Работа компрессионных поршневых колец и форма стыка их замка

Рис. 2.21. Работа компрессионных поршневых колец и форма стыка их замка:
а — схема уплотняющего действия кольца; б — форма стыка замка колец; 1 — гильза цилиндра; 2 — головка цилиндра; 3 — поршень; 76 % р, 20 % р, 3,6 % р — давление соответственно в зоне 1-, 2- и 3-го поршневых колец; I, II, III — по форме стыка соответственно косой, прямой и ступенчатый замки колец; →  движение газа

Для возможности установки колец в канавки поршня их выполняют разрезными с зазором 0,2 …0,5 мм. Замок, или стык кольца, по форме (рис. 2.21, б) может быть косым, прямым и ступенчатым. Чаще применяют поршневые кольца с прямыми замками, поскольку форма замка практически не влияет на утечку газа. При установке колец замки соседних колец смещают один относительно другого по окружности приблизительно на угол 120°.

Поршневые кольца, особенно верхние, работают в тяжелых условиях. Так, верхнее компрессионное кольцо испытывает дей-ствие температуры 250… 350 °С и почти полного (76% р) давления газов в камере сгорания. При этом данное кольцо работает практически без смазки.

Схема работы маслосъемных колец показана на рис. 2.22. Маслосъемные кольца (один или два) регулируют подачу масла на боковую поверхность поршня и к компрессионным кольцам, снимают излишки масла со стенок цилиндра и направляют его вкартер двигателя. Например, двигатели ЯМЗ-236 и ЯМЗ-238 имеют два, а КамАЗ-740 одно маслосъемное кольцо. От компрессионного маслосъемное кольцо отличается большей высотой и наличием сквозных прорезей 3, выполненных с некоторыми интервалами по всей окружности, а также выточек на наружной поверхности кольца. Маслосъемные кольца на поршне размещены ниже к ом п рессионных колец, их устанавливают в канавки, имеющие сквозные отверстия (канал 4) в теле поршня.

Схема работы маслосъемных колец при движении поршня

Рис. 2.22. Схема работы маслосъемных колец при движении поршня:
а — вниз; б — вверх; 1 — поршень; 2 — цилиндр; 3 — прорезь в маслосъемном кольце; 4 — канал в поршне; 5 — канал маслоотводящий

Поршневые кольца изготовляют из легированного чугуна индивидуальной отливкой с последующей механической обработкой, а также из стали. Материал для изготовления поршневых колец должен обладать хорошей упругостью и достаточной прочностью в условиях высоких температур, иметь высокую и зносо стойкость, но не больше износостойкости зеркала цилиндра.

Опорную поверхность одного или двух верхних компрессионных поршневых колец покрывают слоем хрома толщиной до 0,16…0,20 мм с пористой поверхностью, хорошо удерживающей смазку. Все это способствует уменьшению износа кольца и цилиндра. Для улучшения приработки рабочие поверхности нижних колец нередко покрывают слоем олова или другого легкоистираемого материала.

Поршневой палец обеспечивает шарнирное соединение поршня с шатуном, воспринимает значительные знакопеременные нагрузки при высокой температуре и неблагоприятных условиях трения. Таким образом, поршневой палец должен обладать высокой прочностью при минимальном износе, малой массой, высокой стойкостью рабочей поверхности против истирания, хорошей сопротивляемостью ударной нагрузке.

Поршневой палец изготовляют в виде гладкого полого цилиндра. Конструкция его определяется типом соединения с бобышкой поршня и верхней головкой шатуна. Смазку поршневого пальца осуществляют через сверления в стержне или прорези в верхней головке шатуна и масляные каналы в бобышках поршня.

Наибольшее применение получила конструкция так называемого плавающего пальца. При работе двигателя плавающие пальцы постоянно проворачиваются и в головке шатуна, и в бобышках поршня, испытывая незначительный и равномерный износ по длине и окружности. Плавающие пальцы удобны при монтаже, от осевого смещения их удерживают стопорные стальные пружинные кольца, устанавливаемые в канавки в бобышках поршня по обе стороны с торцов пальца (см. рис. 2.18, поз. 5 и 6).

Шатун во время работы двигателя воспринимает от поршня силу давления газов и передает ее коленчатому валу при рабочем ходе, а также обеспечивает перемещение поршня при вспомогательных процессах. Шатун подвергается действию силы давления газов, а также инерционных нагрузок, имеющих переменные величину и направление.

Конструкция шатуна 3 (рис. 2.23) должна обеспечивать высокую прочность, большую жесткость всех элементов, малую массу, минимальные габаритные размеры. При изготовлении шатунов двигателей применяют среднеуглеродистые и легированные стали. Стержень обычно имеет двутавровое сечение. В стержне шатунов некоторых двигателей выполнен канал для подвода смазки от нижней головки шатуна к поршневому пальцу.

Шатун дизеля и расположение на нем меток

Рис. 2.23. Шатун дизеля и расположение на нем меток:
1 — шатунный болт; 2 — крышка шатуна; 3 — шатун; I — место обозначения порядкового номера шатуна и крышки; II — место обозначения массы шатуна; III — метки спаренности шатуна и крышки; IV — место, где выбит порядковый номер цилиндра

Верхняя головка шатуна неразъемная, при применении плавающего пальца используют в качестве подшипников бронзовую или латунную втулку, запрессованную в головку.

Нижнюю головку шатуна изготавливают разъемной. Разъем может быть прямым (90°) или косым (30…60°). Косой разъем позволяет уменьшить радиус окружности, описываемой нижней частью шатуна при вращении, проход его через цилиндр при сборке двигателя, а также его массу. Для повышения надежности соединения на поверхностях разъема шатуна и крышки наносят мелкие треугольные шлицы. Крепят крышку 2 к телу шатуна болтами с гайками или болтами 1, которые вворачивают в тело шатуна. Шатунные болты 1 и гайки изготовляют из высококачественных легированных сталей.

Для достижения хорошей уравновешенности двигателя различие в массе отдельных шатунов и комплектов шатунно-поршневой группы должно быть минимальным.

Для обеспечения правильной сборки поршня с шатуном и установки их в двигатель в определенном месте IV на нижней головке шатуна и ее крышке выбивают порядковый номер цилиндра, для которого предназначен шатун. Предусмотрены также определенные места для других меток (см. I — III на рис. 2.23).

Подшипники нижних головок шатунов имеют сменные тонко стенные вкладыши, изготовленные из стальной ленты (1,3…3,6 мм), на поверхность которой наносят антифрикционный слой (0,2 …0,7 мм) такого же материала, что и для вкладышей коренных подшипников коленчатого вала.