Поршень двигателя автомобиля: деталь достойна похвалы
Думаю, любой автомобилист, скорее всего знает как выглядит поршень. Но на этом, как правило, познания о главной детали двигателя и заканчиваются. Поэтому восполним пробел и поговорим о назначении поршня, его конструктивных особенностях и материалах для изготовления.
Оглавление
Что же представляет из себя этот симпатичный горшок
Как выглядит поршень? Сложная деталь. Это подтверждает такой факт – очень мало автомобилестроителей сами изготавливают поршни, поручая это специализированным производителям.
А еще – это главное звено в процессе превращения химической энергии топлива в тепловую, а затем в механическую.
Поршень, я бы сказал, это красивая деталь цилиндрической формы, она выполняет умопомрачительные возвратно-поступательные движения в цилиндре, принимает на себя высокие температуры и изменения давления газа, превращая все это в механическую работу.
То есть, вот какою работу выполняет поршень:
- принимает на себя давление газов из камеры сгорания и передает это давление на коленчатый вал двигателя;
- обеспечивает жесткий процесс микровзрывов в цилиндре, при этом герметично изолируя надпоршневую полость от подпоршневого пространства, предохраняя от попадания газов в кратер, а смазочного масла в камеру сгорания.
Как выглядит поршень. Конструкция
Схема подготовлена по материалам Volkswagen AG
- головка поршня;
- палец;
- стопорное кольцо;
- бобышки;
- головка шатуна;
- юбка; вставка стальная;
- трапециевидноекомпрессионное кольцо;
- коническое с подрезом компрессионное кольцо;
- маслосъемное кольцо с пружинным расширителем
Поршень состоит из днища, уплотняющей части с поршневыми кольцами для создания компрессии и удаления масла, и направляющей части (юбки).
В средней части поршня (зона юбки) находятся бобышки с отверстиями для пальца и стопорных колец.
Рабочее днище
Знаете как выглядит поршень и как называется эта часть? Эта часть детали служит для приема усилия от давления газов в камере сгорания и называется рабочее днище. Ее форма зависит от геометрии этой камеры и размещения клапанов.
В случае, когда днище вогнутое, форма камеры сгорания напоминает сферическую. Это увеличивает ее поверхность, но ведет к возрастанию образования нагара, а прочность вогнутого днища ниже, чем плоского.
Выпуклое днище делает камеру сгорания щелевидной формы, что приводит к ухудшению процесса завихрения смеси и охлаждения самого днища, хотя нагарообразование снижается.
Кроме того, такая форма днища уменьшает массу поршня при достаточной прочности.
Плоское днище по своим показателям промежуточный вариант между двумя предыдущими и чаще используется в карбюраторных двигателях.
В дизельных моторах разнообразие форм днищ еще больше, они изменяются в зависимости от степени сжатия, метода образования смеси, расположения форсунок и многих других факторов.
Уплотнительный сектор
Головка поршня герметизирует подвижное соединение поршня с цилиндром за счёт поршневых колец, которые установлены в специальных канавках.
В верхних канавках вставлены компрессионные кольца, а в нижней – маслосъёмное кольцо.
В канавке для маслосъёмного кольца есть сквозные отверстия, через них происходит отвод излишков масла во внутреннюю полость поршня.
Направляющая юбка, бобышки
Участок поршня, расположенный ниже маслосъемного кольца, называют юбкой поршня, а еще тронковой или направляющей частью.
Ее функция – удержание поршня в нужном направлении и восприятие боковых нагрузок.
С внутренней стороны на юбке есть приливы – бобышки, в них просверлены отверстия для поршневого пальца. А для его фиксации в отверстиях проточены канавки, для запирания пальца стопорными кольцами.
Что скажут металурги
Так как деталь работает в невыносимых условиях, то к металлам, для его изготовления, предъявляются достаточно жесткие требования:
- для уменьшения инерционных нагрузок у материала должен бить малый удельный вес при достаточной прочности;
- малый коэффициент температурного расширения;
- сохранение физических свойств (прочность) при повышенных температурах;
- значительная теплопроводность и теплоёмкость;
- минимальный коэффициент трения в паре с материалом стенки цилиндра;
- значительная сопротивляемость износу;
- отсутствие усталостного разрушения материала под воздействием нагрузок;
- низкая цена, общедоступность и легкость механической и других видов обработки в процессе производства.
Понятно, что металла, полностью соответствующего перечисленным требованиям, просто не существует.
Поэтому для массовых автомобильных двигателей поршни изготавливаются в основном из двух материалов – чугуна и сплавов алюминия, а если быть точным, то из силуминовых сплавов, содержащих алюминий и кремний.
Чугунный вариант
У чугуна много плюсов, он твёрд, хорошо переносит повышенные температуры, отличается оптимальной сопротивляемостью к износу, имеет низкий коэффициент трения (пара чугун – чугун). И коэффициент температурного расширения у него ниже чем у алюминиевого поршня.
Но есть и недостатки: низкая теплопроводность, из-за чего температура днища у чугунного поршня больше чем у алюминиевого аналога.
Но основной недостаток чугуна ‒ значительная плотность, а значит вес. Для увеличения мощности и эффективности двигателя конструкторы обычно повышают обороты, но тяжелые чугунные поршни не позволяют это делать по причине высоких инерционных нагрузок.
Поэтому для современных автомобильных двигателей, как бензиновых, так и дизельных, отливают алюминиевые поршни.
Алюминиевый вариант
Алюминий имеет значительно меньший вес нежели чугун, но так как он мягче, толщину стенок поршня приходится увеличивать, в результате вес поршня становится легче всего лишь на 30 – 40 процентов по отношению к чугунному.
Коме того у алюминия повышенный температурный коэффициент расширения, поэтому в тело детали приходится вплавлять термостабилизирующие пластины из стали, и делать увеличенные зазоры.
У алюминия довольно малый коэффициент трения (пара: алюминий – чугун), что хорошо для работы алюминиевых поршней в двигателях с чугунным блоком цилиндров или чугунными гильзами.
На современных двигателях немецких марок – Ауди, Фольксваген, Мерседес нет чугунных гильз. Алюминиевые цилиндры там обработаны специальным способом, так что поверхность стенок получается очень твёрдая и имеет сопротивление износу даже выше чем при установке чугунных гильз.
А чтобы уменьшить трение в паре алюминий – алюминий, проводится железнение поверхности юбки. Таким образом отказ от чугунных гильз намного снижает вес блока цилиндров.
В кремнеалюминиевые сплавы, из которых делают поршни основной массы автомобильных двигателей, для улучшения показателей добавляют медь, никель и другие металлы.
Поршни серийных автомобилей производятся методом литья, а на форсированных двигателях применяют изделия, изготовленные методом горячей штамповки. Это улучшает структуру материала ‒ увеличивается прочность и устойчивость к износу. Правда, в штампованный вариант невозможно вмонтировать стальные терморегулирующие пластины.
Вот пожалуй и всё. Вами получен необходимый минимум знаний, как выглядит поршень, его конструкции и условиях работы.
Осталось поделится этой информацией с друзьями в соц.сетях, пригласить их на рюмочку чая и в домашней, непринужденной обстановке пригласить их пополнить ряды читателей нашего блога.
А еще вам будет интересно знать про Шатун и Коленчатый вал. Дерзайте, жмите на ссылку!
До новых встреч, друзья!
