Почему поршневой палец называют плавающим

Поршневой палец: назначение, особенности конструкции, разновидности

Поршневой палец входит в состав КШМ (кривошипно-шатунного механизма), имеет цилиндрическую форму и служит осью качания шатуна в месте соединения с поршнем. Благодаря поршневому пальцу обеспечивается подвижное шарнирное соединение поршня и головки шатуна.

В двигателях автомобилей используются полые поршневые пальцы. Полая часть детали представляет собой сквозное отверстие из двух конусов, вершины которых обращены к центру. Подобная конструкция позволяет, с одной стороны, уменьшить вес поршневого пальца, а с другой дает возможность более равномерно распределить нагрузки по поверхности. При этом центральная часть детали испытывает нагрузку больше, что определяет толщину легированной стали в этом месте.

Основным материалом изготовления является сталь 45ХА с закалкой после отливки на глубину до 1,5 мм для достижения необходимой твердости поверхности детали. Для современных высокопроизводительных мощных двигателей поршневые пальцы изготавливают из более прочных сортов легированной стали.

Разновидности поршневых пальцев

Фиксированный

К данной разновидности относятся детали, лишенные возможности вращения в одном из соединяемых элементов. Это достигается тугой посадкой поршневого пальца в отверстиях бобышки поршня или в верхней части головки шатуна, что обеспечивает осевую фиксации детали.

От использования крепления поршневого пальца в верхней головке шатуна с помощью разрезной втулки и стяжного болта, применяемого в автомобильных двигателях раньше, сегодня отказались. При таком способе крепления вращение детали осуществлялось в отверстиях бобышек поршня. Требуемый для шарнирного соединения зазор предусматривался в месте соединения поршневого пальца с бобышками поршня. Для массового производства такой способ фиксации считается самым доступным по цене. Сборка шатунно-поршневой группы при проведении ремонта двигателя выполнялась с нагревом шатуна до требуемой температуры.

При использовании фиксированного поршневого пальца в конструкции двигателя поршневая головка шатуна не имела бронзовой втулки.

Плавающий

К нему относят детали, устанавливаемые с зазором. Требуемый зазор может быть предусмотрен в бобышках поршня или в верхней головке шатуна.

Проблема осевой фиксации поршневого пальца решается установкой стопорного кольца, для чего в бобышках поршня делают специальные проточки. Такой способ обеспечивает вращение поршневого пальца как в бобышках поршня, так и в головке шатуна. Обязательно соблюдение необходимого зазора между деталью и бобышкой поршня, с одной стороны, и между пальцем и втулкой поршневой головки шатуна, с другой.

Бронзовая втулка в поршневой головке шатуна обеспечивает уменьшение трения при использовании плавающего поршневого пальца. Размер зазоров определяется различным температурным коэффициентом расширения материалов, использованных для производства шатуна, поршневого пальца и поршня. Так в холодном состоянии обязателен небольшой натяг при вхождении в бобышки поршня, при этом во втулку верхней головки шатуна деталь должна входить без люфта. По этой причине до операции по снятию или установке плавающего поршневого пальца поршень нагревают в воде до 85°С.

Как подобрать поршневой палец?

Плавающий тип подбирают по номеру в каталоге запчастей. Также можно использовать подбор по цветовой метке внутри днища поршня. Важно! Подбирать поршневой палец необходимо с учетом размерной группы, к которой относится данная деталь и поршень. Размерные группы различаются диаметром.

Фиксированный – выбирают, ориентируясь на отверстие в поршне по номеру группы (указан на днище поршня).

Проблемы с уменьшением веса

Одна из главных задач конструкторских бюро автопроизводителей состоит в увеличении мощности двигателя при одновременном уменьшении веса агрегата. Для решения этой задачи необходимо уменьшить вес максимально возможного числа деталей двигателя, используя для этого все доступные способы.

Поршневая группа: поршневые пальцы

Поршневой палец служит осью в шарнирном соединении поршня с шатуном и воспринимает поэтому все передающиеся между ними силовые нагрузки. В четырехтактных двигателях силовые нагрузки на поршневой палец резко изменяются как по величине, так и по направлению, а в двухтактных — только по величине. Однако в обоих случаях поршневые пальцы испытывают ударный характер нагрузки и работают в условиях ограниченной смазки.

В кривошипном механизме быстроходных автомобильных двига­телей поршневые пальцы желательно иметь возможно меньшего веса, а по конструктивным соображениям их выполняют с ограни­ченным поперечным сечением и малыми опорными поверхностями. Это порождает большие напряжения и значительные удельные дав­ления на опорных поверхностях рассматриваемого шарнирного соединения. Поэтому поршневой палец должен обладать высокой износостойкостью и одновременно хорошо противостоять воздейст­вию ударных нагрузок при общем ограниченном весе.

Чтобы удовлетворить эти жесткие требования, поршневые паль­цы изготовляют в виде полого стального цилиндра с небольшой толщиной стенок (рис.) и подвергают их соответствующей терми­ческой и тщательной механической обработке.

Материалом для поршневых пальцев служат углеродистые стали марок 15, 20 или 45, а в особенно напряженных двигателях приме­няют, например, хромистые—15Х, 40Х и другие легированные качественные стали. Пальцы, изготовленные из малоуглеродистых сталей, содержащих до 0,2% углерода, цементируют, т. е наугле­роживают поверхностный их слой, и подвергают закаливанию; из среднеуглеродистых сталей пальцы закаливают, нагревая поверх­ностный слой их токами высокой частоты. Толщина закаленного слоя обычно составляет 1—1,5 мм, а твердость HRC 55—60 (шкала С по Роквеллу). После такой термической обработки материал пальца с внутренней стороны стенок сохраняет свои вязкие свойства и хорошо сопротивляется ударным нагрузкам, а наружный зака­ленный слой их приобретает повышенную износостойкость. Пальцы тщательно шлифуют и полируют с тем, чтобы на рабочей поверх­ности не оставалось каких-либо рисок или следов обработки, вызы­вающих концентрацию опасных для прочности местных напряже­ний.

Чтобы в процессе работы поршневые пальцы не выходили из отверстий бобышек и не могли повредить зеркало цилиндра, их фиксируют в строго заданном положении относительно шатуна или поршня. По способу фиксации пальцев они подразделяются на плавающие и закрепленные. Закрепленными считаются пальцы, неподвижно зафиксированные в головке шатуна или в бобышках поршня В головке шатуна палец закрепляют с помощью стяжного болта устанавливаемого в разрезную головку (см. рис. б). Палец сохраняет в этом случае угловое перемещение только в бо­бышках. Чугунные поршни при таком креплении пальцев снабжают бронзовыми втулками, уменьшающими потери на трение и предот­вращающими возможные задиры трущихся поверхностей. Крепле­ние пальца в бобышках поршня осуществляется с помощью стопор­ного болта, который на резьбе заворачивается в бобышку и проходит через сделанное для этой цели отверстие в стенке пальца (см. рис. в). Поэтому угловое перемещение пальца сохраняется только в головке шатуна с запрессованной в нее в качестве подшип­ника бронзовой втулкой.

При неподвижной фиксации поршневых пальцев в шатуне или бобышках поршня отдельные участки их нагружаются неравно­мерно, а следовательно, и неравномерно изнашиваются. Чтобы устранить этот недостаток, применяют так называемые плавающие пальцы. Плавающие пальцы фиксируются только от осевого сме­щения, как показано на рис. а и г. В процессе работы они могут свободно поворачиваться как в головке шатуна, так и в бобышках поршня, что способствует более равномерному их износу. В холод­ном состоянии палец должен плотно без качки входить в отверстие втулки верхней головки шатуна, а по отверстиям в бобышках порш­ня из алюминиевых сплавов он подбирается с тугой посадкой. Необходимость этого обусловливается разницей в коэффициентах линейного расширения у алюминиевых поршней и стальных паль­цев. Опыт показывает, что в прогретом двигателе зазоры между поршневым пальцем и отверстиями в бобышках и головке шатуна выравниваются. Для облегчения сборки алюминиевые поршни реко­мендуется подогревать до 60—80°С путем погружения в горячую жидкость, например в нейтральное масло.

Плавающие поршневые пальцы получили наибольшее распро­странение в автомобильных, тракторных и других быстроходных двигателях. Осевую фиксацию плавающих пальцев осуществляют с помощью стопорных пружинных колец круглого или прямоуголь­ного сечения (см. рис. а) и реже для этой цели используют гриб­ки из мягкого металла (см. рис. г). Стопорные кольца устанав­ливают в канавках, проточенных для них в отверстиях бобышек, несущих поршневой палец. Глубина проточек под стопорные кольца выбирается так, что последние примерно наполовину выступают из них и надежно фиксируют палец от осевых перемещений. Кольца вынимаются из канавок с помощью отогнутых внутрь концов или имеющихся у них отверстий (см. рис. а). Грибки, или заглушки, из мягкого металла (обычно из алюминия) запрессовывают с двух сторон в отверстия поршневого пальца и при осевом перемещении его соприкасаются с зеркалом цилиндра, но не разрушают стенок.

Поршневые пальцы двухтактных двигателей с торцов закры­ваются иногда заглушками, предотвращающими в этом случае возможное перетекание газов между впускными и выпускными окнами. На двухтактных дизелях ЯМЗ пальцы с торцов закрывают­ся стальными заглушками. От осевого перемещения пальцы в этих двигателях фиксируются стопорными кольцами, показанными на рис. д.

Поршневой палец: описание,виды,применение,установка,фото,видео.

Поршневой палец – элемент кривошипно-шатунного механизма цилиндрической формы, который представляет собой ось перемещения шатуна в месте его соединения с поршнем и обеспечивает таким образом подвижное шарнирное соединение головки шатуна и поршня.

Применение поршневого пальца

Поршневой палец соединяет поршень с шатуном. Соединение двух этих деталей не может быть жестким, так как и низ, и верх шатуна постоянно перемещаются. Цилиндрический палец позволяет верхней части шатуна «шататься» при перемещении поршня по вертикали.

Для монтажа плавающего пальца поршень, шатун и палец кипятят в горячей воде

Почему поршневой палец трудно облегчить?

Первостепенная задача конструкторов современных двигателей – увеличение мощности и, одновременно, снижение веса мотора. Для того, чтобы уменьшить вес всего агрегата, приходится облегчать детали любыми доступными способами.

Облегчить поршневой палец непросто, так как эта деталь постоянно испытывает серьезные нагрузки. Легкие и прочные сплавы, которые можно использовать для производства поршневых пальцев, стоят дорого, и себестоимость изделия существенно увеличивается. В итоге, в большинстве современных двигателей применяются пальцы из легированной стали, такие же, как сто лет назад.

Зачем нужно отверстие в центре поршневого пальца?

Обычно в теле пальца есть сквозное отверстие отверстие в виде двух конусов с вершинами в центре. Благодаря отверстию можно уменьшить вес детали, а конусная форма связана с распределением нагрузки по поверхности детали. Центр пальца нагружен значительно больше, и в этом месте толщина материала играет наиболее существенную роль.

По способу осевой фиксации пальцы делятся на две группы:

1 – фиксированные

2 – плавающие

2 – Зазор между пальцем и бобышкой поршня

5 – Стопорное кольцо пальца

6 – Бронзовая втулка поршневой головки шатуна

7 – Зазор между пальцем и бронзовой втулкой

На современных автомобильных двигателях наибольшее распространение нашли плавающие пальцы.

Фиксированный

Фиксированным называется поршневой палец, который не вращается в одном из соединяемых элементов за счёт установки с тугой посадкой или в верхней головке шатуна или в отверстиях бобышек поршня.

Тугая посадка поршневого пальца в одном из элементов обеспечивает осевую фиксацию пальца.

В старых автомобильных и стационарных двигателях палец в верхней головке шатуна вообще крепился при помощи разрезной втулки и стяжного болта, но в настоящее время в автомобильных двигателях такой способ крепления поршневого пальца не применяется.

Чаще фиксированное соединение обеспечивается в верхней головке шатуна. При этом вращение пальца осуществляется в отверстиях бобышек поршня.

Например, в двигателях автомобилей ВАЗ надёжная фиксация поршневого пальца обеспечивается за счёт установки пальца в верхней (поршневой) головке шатуна с натягом 0,01 ? 0,042 мм. При этом в соединении пальца с бобышками поршня, для обеспечения шарнирного соединения, устанавливается необходимый зазор. Это наиболее дешёвый способ фиксации пальца в массовом производстве. В этом случае во время ремонта двигателя при сборке шатунно-поршневой группы возникает необходимость нагрева шатуна до достаточно высокой температуры. В двигателях с фиксированным поршневым пальцем бронзовая втулка в поршневую головку шатуна не устанавливается.

Плавающий

Поэтому перед снятием или установкой плавающего пальца поршень необходимо нагреть в воде до температуры 60? ? 85? С.

Подбор поршневого пальца

Если в двигателе применен плавающий палец, его подбирают по цветовой метке, нанесенной внутри днища поршня, или по заводскому номеру запчасти по каталогу. Поршни и поршневые пальцы делятся на размерные группы в зависимости от диаметра, об этом следует помнить при самостоятельной покупке деталей.
При подборе фиксированного пальца палец подбирается по отверстию в поршне по номеру группы, указанному на днище поршня.

Материал для изготовления поршневых пальцев

Для изготовления поршневых пальцев применяют в основном сталь 45ХА. После отливки деталь закаливают на 1-1.5 мм глубины. Твердость поверхности должна быть соответствовать определенным нормам. В моторах повышенной мощности применяют для изготовления пальцев применяют более прочные сорта легированной стали.

Установка поршневого пальца

Установка фиксированного поршневого пальца

Для установки фиксированного пальца шатун необходимо нагреть в муфельной электрической печи до температуры 240? С. (При отсутствии муфельной печи шатун часто нагревают на простой электрической плитке). Шатун быстро охлаждается, а палец необходимо в осевом направлении устанавливать очень точно, поэтому делайте это только с применением специального приспособления. Необходимо помнить, что для каждого диаметра поршня существует своё приспособление, хотя все они похожи друг на друга, некоторые размеры приспособлений отличаются, но на глаз это не видно.
Установите палец на приспособление. Принимая все меры предосторожности, извлеките нагретый шатун из муфельной печи шатун и быстро закрепите его в тисках. При помощи специального приспособления вставьте палец в поршень и шатун, строго выполняя указания Руководства по ремонту. Делать всё необходимо быстро, поскольку шатун очень быстро остывает. А после того как шатун остынет, изменить положение пальца не получится.

1. Рукоятка приспособления
2. Центрирующий фланец пальца
3. Устанавливаемый палец
4. Направляющая втулка
5. Колпачковая гайка

Установка плавающего поршневого пальца

Для обеспечения необходимого зазора (натяга) в соединении с пальцем, поршни в зависимости от диаметра отверстия под поршневой палец и пальцы в зависимости от наружного диаметра обычно делятся на несколько размерных групп (классов). Группа поршня и пальца обычно отмечаются цветной меткой на внутренней стороне днища или на бобышке поршня. На поршневом пальце цветовая метка обычно наносится на торцевую поверхность.
Если поршневой палец устанавливается в отверстие поршня с натягом. Сначала проверяется зазор в соединении поршневого пальца и шатуна. При комнатной температуре (20? С) смазанный моторным маслом палец должен входить во втулку верхней головки шатуны под усилием большого пальца.
Проверив цветовые метки на поршне и пальце, нагреваем поршень в ванне с горячей водой, в которой поддерживается температура 60? ? 85? С. Смазанный моторным маслом палец должен легко входить в отверстие поршня. После остывания палец должен быть неподвижным или вращаться с усилием в бобышке поршня, но легко вращаться во втулке верхней головки шатуна.
Некоторые производители рекомендуют снимать и устанавливать поршневой палец при помощи специального приспособления.

Поршневой палец

Поршневой палец представляет собой стальной полый цилиндр, поверхность которого упрочняется в процессе производства и имеет высокий класс чистоты механической обработки для уменьшения концентраторов напряжений. Поршневой палец может иметь возможность проворачиваться как в головке шатуна, так и в бобышках поршня. В этом случае он фиксируется от продольного перемещения специальными стопорными кольцами, а между пальцем и внутренней поверхностью головки шатуна устанавливается втулка из антифрикционного материала. Такой поршневой палец называется «плавающим». Преимущество «плавающего» пальца — его равномерный износ по окружности, а также большая надежность работы (на случай заклинивания в шатуне или в бобышках). Поршневые пальцы «неплавающего» типа запрессованы в верхней головке шатуна и проворачиваются только в бобышках поршня. В этом случае стопорные кольца и втулка не нужны и конструкция получается проще и легче. Нижняя головка шатуна должна быть разборной, чтобы иметь возможность соединения с шейкой коленчатого вала, а две части шатуна соединяются болтами.
Подробнее о поршневом пальце — в главе Шатун