В конструкции поршня принятовыделять следующие элементы (рис. 5.1):
/>головку 1 и юбку 2. Головка включает днище З, огневой(жаровой) 4 и уплотняющий 5 пояса. Юбка поршня состоит из бобышек б инаправляющей части.
На рис. 5.2 и 5.3представлены наиболее типичные в настоящее время Конструкции поршнейавтотракторных двигателей различного типа.
Сложная конфигурация поршня,быстро меняющиеся по величине и направлению тепловые потоки, воздействующие наего элементы, приводят к неравномерному распределению температур по его объемуи, как следствие, к значительным переменным по времени локальным термическимнапряжениям и деформациям (рис. 5.4).
Теплота, подводимая к поршнючерез его головку, контактирующую с рабочем телом в цилиндре двигателя,отводится в систему охлаждения через отдельные его элементы в следующемсоотношении, %: в охлаждаемую стенку цилиндра через компрессионные кольца — 60…70, через юбку поршня — 20…30, в систему смазки через внутреннююповерхность днища поршня — 5…10. Поршень также воспринимает часть теплоты,выделяющейся в результате трения цилиндра и поршневой группы.
/>
/>
КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОСНОВНЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ ПОРШНЯ
При проектировании поршняиспользуются статистические данные по конструктивным параметрам его элементов,отнесенным к диаметру цилиндра 1) (рис. 5.5, табл. 5.1).
Высота поршня Н определяетсяв основном высотой головки h При малой Н существенно возрастает влияние нахарактер движения поршня несоблюдение при производстве и эксплуатации зазоров,допускаемых между его элементами и зеркалом цилиндра, что можетинтенсифицировать процессы перекладин, нарушение газо- и маслоуплотнения,повышенные износы стенок канавок компрессионных колец.
Высота головки поршняопределяет его габариты и массу, в связи с чем ее выбирают минимальнонеобходимой для обеспечения нормального температурного режима ее элементов.Особое внимание при этом обращается на температуру в зоне канавки верхнегокомпрессионного кольца и в бобышках поршня.
/>
МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОРШНЕЙ
Для изготовления поршнейавтотракторных ДВС в настоящее время в основном используют алюминиевые сплавы,реже серый или ковкий чугун, а также композиционные материалы.
Алюминиевые сплавы имеют малую плотность, что позволяет снизить массупоршня и, следовательно, уменьшить инерционны нагрузки на элементыцилиндропоршневой группы и КШМ. При этом упрощается также проблема уменьшениятермического со противления элементов поршня, что в сочетании с хорошейтеплопроводностью, свойственной данным материалам, позволяет уменьшатьтеплонапряженность деталей поршневой группы. К положительным качествамалюминиевых сплавов следует отнести малые значения коэффициента трения в паре счугунными или стальными гильзами.
Однако поршням из алюминиевыхсплавов присущ ряд серьезных недостатков, основными из которых являютсяневысокая усталостная прочность, уменьшающаяся при повышении температуры,высокий коэффициент линейного расширения, меньшая, чем у чугунных поршней,износостойкость, сравнительно большая стоимость.
В настоящее время приизготовлении поршней используют два вида силуминов: эвтектические с содержаниемкремния 11…14% и заэвтектические — 17…25%.
Увеличение содержания Si всплаве приводит к уменьшению коэффициента линейного расширения, к повышениютермо- и износостойкости, но при этом ухудшаются его литейные качества и растетстоимость производства.
Для улучшенияфизико-механических свойств силуминов в них вводят различные легирующиедобавки. добавка в алюминиево-кремниевый сплав до 6% меди приводит к повышениюусталостной прочности, улучшает теплопроводность, обеспечивает хорошие литейныекачества и, следовательно, меньшую стоимость изготовления. Однако при этомнесколько снижается износостойкость поршня. Использование в качестве легирующихдобавок натрия, азота, фосфора увеличивает износостойкость сплава. Легированиеникелем, хромом, магнием повышает жаропрочность и твердость конструкции.
Заготовки поршней изалюминиевых сплавов получают путем отливки в кокиль или горячей штамповкой.После механической обработки они подвергаются термической обработке дляповышения твердости, прочности и износостойкости, а также для предупреждениякоробления при эксплуатации. Кованые поршни пока используются реже, чем литые.
Чугун в качестве материала для поршней по сравнению салюминиевым сплавом обладает следующими положительными свойствами: болеевысокими твердостью и износостойкостью, жаропрочностью, одинаковымкоэффициентом линейного расширения с материалом гильзы. Последнее позволяетсущественно уменьшить и стабилизировать по режимам работы зазоры в сочлененииюбка поршня — цилиндр. Однако большая плотность не позволяет использовать егошироко для поршней высокооборотных автомобильных двигателей. Данный недостатокможет быть частично нивелирован включением в структуру чугуна шаровидногографита, что позволяет отливать элементы поршня существенно меньшей толщины.Как следует из сказанного выше, ни силумины, ни чугун в полной мере не являютсяоптимальными материалами для изготовления поршней.
В связи с этим в настоящеевремя ведется активная работа по использованию для поршней керамическихматериалов, которые наилучшим образом отвечают требованиям, предъявляемым кматериалам поршневой группы. Это малая плотность при высокой прочности, термо-,химико- и износостойкости, низкой теплопроводности и необходимом значениикоэффициента линейного расширения.
Один из практических способовиспользования керамики состоит в изготовлении деталей поршня из металло- илиполимерокомпозиционных материалов. Матрицей (основой) первого типа материаловявляется алюминий или магний, а в качестве наполнителя используют керамическиеи металлические порошки или волокла пористых материалов. Основуполимерокомпозиционных материалов составляют полимерные материалы снаполнителем из волокон углерода, стекла, порошков металлов или керамики. Ониобладают малой плотностью, высокими антифрикционными свойствами и применяютсядля элементов с небольшими тепловыми нагрузками, например для изготовления юбкипоршня.
Перспективным являетсяармирование элементов поршня керамическими волокнами из оксида алюминия идиоксида кремния.
При содержании в основномматериале до 40…50% оксида алюминия получается аморфное керамическое волокнос диаметром 2…3 мкм, успешно работающее при температуре 1200…1300°С. Еслисодержание оксида алюминия превышает 70%, получается структура волокна,приближающаяся к кристаллической, что способствует высокой термическойстабильности изделия.
Основными проблемами,сдерживающими широкое использование керамики для изготовления поршнейавтотракторных двигателей, являются хрупкость, низкая прочность на изгиб,склонность к трещинообразованию и усталости, а также высокая стоимость.
Материал поршня должен бытьвозможно малой плотности, иметь низкий коэффициент линейного расширения,обладать износостойкостью, высокой теплопроводностью, в том числе приповышенных температурах, иметь хорошую обрабатываемость. При этом важнымиявляются комплексные характеристики материала, а не только отдельные егосвойства. Так, уровень термических напряжений зависит от величины Еt и т.д. Взависимости от назначения двигателя и типа конструкции поршня могут бытьприменены различные материалы. Поршни двигателей многих типов, прежде всегоавтомобильных и тракторных, изготовляют из легких сплавов литьем в кокиль илиштамповкой. В первом случае применяются эвтектические силумины типа 4Л25(11-13% Si) и заэвтектические. содержащие присадки меди, никеля, магния имарганца. Поршни штампуют из сплавов АК4 и АК4-1, отличающихся высокимипрочностными свойствами при повышенных темперах.
Несмотря на то, что массапоршней из алюминиевого сплава меньше массы поршней из чугуна, последний такжеприменяется для изготовления поршней быстроходных двигателей. Из легированногосерого и высокопрочного чугунов типов СЧ 24-СЧ 45 и ВЧ 45-5 изготовляют поршнифорсированных тепловозных и среднеоборотных двигателей. При повышенной посравнению с алюминиевыми сплавами температуре плавления чугуна устраняетсяобгорание кромок на поверхностях, обращенных к камере сгорания.
В составных поршнях дляизготовления головки применяют жаростойкие стали типа 2ОХЗМВФ. На изготовлениеиз стали переходят, если максимальная температура в наиболее нагретых зонахпоршня превышает ориентировочно 450С. В ряде случаев (накладки поршнейдвухтактных двигателей) применяют высоколегированные жаропрочные стали. В табл.11 приведены некоторые теплофизические и механические характеристики рядаматериалов поршней с учетом зависимости их от температуры.
/>