Меню
Предыдущая     |         Содержание     |    следующая

Автомобильные двигатели

Обзор конструкций поршневых колец

Выбор формы, конструктивных параметров и способов повышения долговечности поршневых колец производят с учетом выполняемых ими функций: газоуплотнения надпоршневого пространства, отвода теплоты от поршня в стенки гильзы и удаления излишков масла с ее стенок.

Поршневые кольца относятся к лабиринтному типу уплотнений с упругими подвижными элементами. В подобных уплотнениях следует считаться с неизбежными утечками газов, величина которых для поршневой группы ограничивается относительно небольшими пределами (0,51 %). При повышенных утечках газов падает мощность двигателя вследствие частичного уменьшения количества рабочей смеси; повышается температура и, следовательно, теряется упругость колец; закоксовываются канавки, что вызывает зависание колец, ускоряется старение и загрязнение масла.

Газоуплотнение колец становится менее эффективным при деформации гильз. Установлено, что форма замка и величина зазора вследствие малых проходных сечений практически не влияют на утечки газоч.

На рис. 264, а, схематично показаны силы и давления, действующие на кольцо. Газы из надпоршневого пространства через зазоры проникают за кольцо и прижимают его к гильзе. Во время работы кольцо может контактироваться с гильзой не всей поверхностью, а только верхними или нижними гранями (рис. 264, б). Явление перекашивания кольца относительно поверхности гильзы подтверждается формой износа канавок, расширяющихся в процессе эксплуатации в сторону основания.

в этот момент

При выпуске и впуске в четырехтактных двигателях давление в канавках за кольцами не всегда успевает снизиться до нуля, и к последующему процессу сжатия в них сохраняется остаточное дав-

ление. Аккумуляция давления улучшает работу колец на насосных ходах поршня.

На режимах неполных нагрузок бензиновых двигателей, когда давление в цилиндре относительно невелико, давление газов в канавках может быть недостаточным для создания газоуплотнения кольцами с частичной потерей упругости. Поэтому кольца считаются работоспособными до тех пор, пока их сила упругости еще обеспечивает надежное газоуплотнение.

С увеличением частоты вращения двигателя эффективного газоуплотнения можно достичь при меньшем числе компрессионных колец. В существующих быстроходных карбюраторных двигателях

и дизелях число компрессионных колец может быть уменьшено до одного-двух; при высоком давлении газов (при турбонаддуве) до двух-трех. На определенном скоростном режиме двигателя при подходе поршня к в. м. т. под действием переменных сил инерции, трения и сил газов может возникнуть осевая вибрация колец, нарушающая их нормальную работу. При определенных условиях осевая вибрация может перерасти в радиальную.

В случае вибрации колец в радиальном направлении они отстают от стенок гильзы, вследствие чего нарушается герметичность внутри-цилиндрового пространства, ухудшаются теплоотвод (появляются зоны перегрева) и условия смазки, происходит коробление кольца и быстрый износ трущихся поверхностей. Радиальная вибрация колец ускоряется при наличии неровностей на поверхности гильзы, потере кольцами упругости, уменьшении давления газов в канавках и износах кольцевой канавки. Склонность колец к радиальным вибрациям может быть уменьшена путем повышения их силы упругости, уменьшения объема канавки за кольцом и высоты кольца.

радиальная толщина кольца. В карбюраторных двигателях работа трения, приходящаяся на компрессионные кольца, как показали исследования, распределяется следующим образом: первое кольцо 60, второе 30 и третье 10%.

Из общей величины среднего давления внутренних потерь в двигателе составляющая, приходящаяся на поршневую группу, достигает 5060%. С увеличением частоты вращения среднее давление внутренних потерь возрастает. Поэтому при повышении быстроходности двигателя для снижения потерь на трение в первую очерель следует уменьшать число компрессионных колец и их высоту.

Количество теплоты, отводимое от поршня, распределяется примерно следующим образом: через компрессионные кольца и уплотняющий пояс отводится 7080% теплоты (из них 5060% через кольца), через наружную поверхность направляющего пояса 25 15% и через внутреннюю поверхность в масло и омывающие газы 5%. Наиболее интенсивно отводится теплота в гильзу через первое компрессионное кольцо, работающее в условиях граничного трения. Поэтому установка второго и третьего компрессионных колец мало влияет на температурный режим поршня.

Проведенные измерения показали, что температурный перепад между кольцами и гильзой больше, чем между поршнем и кольцами, так как между поверхностями кольца и гильзы теплоизолирующий слой масла меньше. На торцовых поверхностях канавок имеются слои масла и отложение нагара, что затрудняет отвод теплоты от поршня к кольцам.

Конструктивные формы компрессионных и маслосъемных колец весьма разнообразны. Компрессионные и маслосъемные кольца значительно различаются между собой по конструктивным параметрам. Однако компрессионные кольца частично выполняют также функции маслораспределения и маслосъема. На рис. 265 показаны наиболее распространенные профили компрессионных и маслосъемных колец.

Компрессионные кольца (рис. 265, а) делятся на кольца:

с цилиндрической наружной поверхностью (поз. 1, 4, 7, 913);

с ускоренной приработкой (поз. 2) минутные, имеющие коническую наружную поверхность (угол наклона образующей 1520);

с пониженной склонностью к заеданию в капавках поршня (поз. 6, 7);

с повышенным воздействием на масляную пленку гильзы (поз. 8 10): торсионные, скребковые и скребковые с подрезами.

Верхние компрессионные кольца покрывают слоем хрома для повышения износостойкости. У наиболее форсированных двигателей поверх слоя хрома или непосредственно на основной материал кольца наносят молибденовый слой толщиной до 0,25 мм (поз. 1114, рис. 265, а).

Для ускорения приработки колец им придают бочкообразную форму со стрелой прогиба образующей 510 мкм (поз. 14, рис. 265, а).

Кольцо со строго цилиндрической поверхностью характеризуется относительно длительным периодом приработки, который сопровождается повышенными расходами масла, отложением нагара и дымлением из сапуна.

Полностью коническая рабочая поверхность или коническая с цилиндрическим поясом (кольцо 5) обеспечивает ускоренную приработку кольца вследствие большего давления на стенку цилиндра.

Кольца 4 и 8 с цилиндрическим или коническим внутренним подрезом из-за несимметричности поперечного сечения при сжатии во время установки скручиваются и упираются наружной кромкой

в стенку гильзы. Такие кольца имеют относительно короткие сроки приработки, как и минутные кольца. Площадь контакта нижней поверхности кольца с опорной плоскостью канавки при этом уменьшается, что ухудшает отвод теплоты в гильзу.

Торсионные кольца менее склонны к вибрациям, чем минутные. Они частично выполняют функции маслосъемных колец при некотором ухудшении газоуплотняющих свойств. Кольца б и 7 с пониженной склонностью к заеданию в канавках выполняются с поперечным сечением в форме одно- или двусторонней трапеции. Угол наклона сторон трапеции выбирают в пределах 510°. В канавках с конической поверхностью отложения нагара при движении колец в радиальном направлении и по высоте канавки растираются и снимаются боковыми плоскостями.

При установке компрессионных колец 810 скребкового типа с конической поверхностью улучшаются условия смазки при движении поршня к в. м. т. Угол наклона образующей верхней фаски колеблется в пределах 210°.

В большинстве конструкций съем масла достигается с помощью одного верхнего маслосъемного кольца.

Маслосъемные кольца (рис. 265, б) отличаются более разнообразной конструкцией, чем компрессионные. Наибольшее распространение получили шлицованные 16 и 21 и многоэлементные стальные кольца 1720.

. Высота несущего пояса скребковых колец колеблется обычно в пределах 0,151,0 мм.

У маслосъемных колец с распорной пружиной (у которых радиальное давление достигает 3 МПа) для повышения долговечности рабочую контактную поверхность иногда также покрывают защитным слоем хрома (поз. 20, 21, рис. 265, б). Расход масла при установке колец с распорной пружиной значительно снижается.

В поршнях со шлицованными кольцами делают один пояс дренажных отверстий внутри капавок (см. рис. 256, б) или два внутри канавок и под ними (см. рис. 256, д). При установке скребковых колец 15 дренажные отверстия обычно располагают только под ними.

Большое распространение получили составные стальные кольца 1720 (рис. 265, б): четырехзлементные из двух кольцевых стальных дисков / и // и двух расширителей (осевого III и радиального

в виде многогранной ленты IV) и трехэлементные. Диски / и 77 для повышения износостойкости хромируют по рабочей поверхности. Составные кольца хорошо следуют за всеми неровностями и деформациями гильзы и обеспечивают эффективный съем масла.

Типичные конструкции трехэлементных колец 1820 с одним комбинированным расширителем представлены на рис. 265. В осевом направлении расширитель имеет высокую жесткость; радиальное давление составляет примерно 17 МПа.

В качестве конструктивных параметров колец принимают:

от величины которого зависит радиальное давление от силы упругости кольца и напряжения изгиба в нем;

;

3) раствор 5 замка, т. е. разность между вырезом кольца в свободном состоянии и тепловым зазором.

В табл. 34 приведены значения конструктивных параметров поршневых колец дизелей и карбюраторных двигателей.

(кольцо 8, рис. 265, а) между глубиной канавки в поршне и радиальной толщиной кольца, которая определяет зазор между тыльной поверхностью кольца и стенкой канавки, достигает у компрессионных колец 0,700,95 мм, а у маслосъемных 0,91,1 мм.

При износе поршневого кольца и уменьшении его толщины радиальное давление от силы упругости кольца понижается и перераспределяется по его окружности. При большом износе кольца

нарушается его контакт с поверхностью гильзы, в первую очередь в зоне замка (с обеих сторон его на дуге 3060°).

Форма изношенного кольца зависит от первоначальной эпюры его давлений. Кольца с равномерной эпюрой давлений имеют меньшие сроки службы.

Для повышения срока службы и устойчивости против вибраций кольца изготовляют с неравномерным (корректированным) давлением по окружности (рис. 266, а), увеличивающимся в зоне замка. При износе колец давление в зоне замка уменьшается и перераспределяется на соседние участки. Поэтому продолжительность работы кольца с повышенным давлением у замка до момента нарушения контакта его с гильзой возрастает.

Реклама