Поршневые кольца двигателя. Основное назначение
Поршневые кольца — это незамкнутые кольца, которые с небольшим зазором посажены в канавках на внешних поверхностях поршней в двигателях внутреннего сгорания. В данной статье поговорим про поршневые кольца двигателя, какие они бывают и их основное предназначение.
Поршневые кольца по назначению разделяют на компрессионные и маслосъемные.
Компрессионные кольца предотвращают порыв газов из камеры сгорания в картер. Наружный диаметр кольца в свободном состоянии больше внутреннего диаметра цилиндра, поэтому часть кольца вырезана. Вырез в поршневом кольце называют замком.
Маслосъемные кольца препятствуют проникновению масла из картера в камеру сгорания, снимая излишки масла со стенки цилиндра. Их устанавливают ниже уровня компрессионных. Они в отличии от компрессионных колец имеют сквозные прорези.
Из чего делают кольца двигателя?
Одним из материалов, использованных для поршневых колец — чугун. Он сочетается с чугуном, используемым в блоках цилиндров, а его структура позволяет ему удерживать масло, уменьшая износ. Широко используется также производная от ковкого чугуна — пластичный чугун. Он обладает большинством качеств чугуна и может упруго деформироваться, что облегчает установку колец.
Поршневые кольца, сделанные из нержавеющей стали, являются усовершенствованием хромированных чугунных колец. По сути, нержавеющая сталь является материалом, в который входит большое количество хрома. И нет ничего странного, что такие кольца имеют свойства, аналогичные свойствам хромированных колец. Нержавеющая сталь также имеет способность противостоять высокой температуре, превосходящую хромированный чугун.
При попытках увеличения срока службы колец и обеспечения быстрой их приработки, были созданы молибденовые кольца. Его основа из чугуна с молибденовым покрытием поверхности. Молибден обладает многими противоизносными свойствами хрома, а в некоторых случаях он может иметь большую сопротивляемость износу. С течением времени молибденовые кольца стали основными в двигателях, так как они долговечные, относительно легко прирабатываются и более надежные.
Верхние компрессионные кольца двигателя
Существует много конфигураций верхнего компрессионного кольца и различия трудно уловимы. К примеру, кольцо может иметь преднамеренное небольшое перекручивание. Другими словами, верхняя и нижняя поверхности кольца не лежат плоско в канавке для кольца, а слегка наклонены, и только верхний или нижний край лицевой поверхности контактирует с отверстием цилиндра.
Кольца сконструированы таким образом, чтобы ускорить приработку поверхностей поршневых колец и стенок цилиндров и помогать уплотнению кольца в верхней и нижней частях канавки для кольца. Величина перекручивания кольца очень мала и оно обычно делается путем стачивания фаски на внутреннем крае кольца.
Другим важным типом компрессионного кольца является поршневое кольцо с L-образным участком, чья способность к уплотнению зависит от усилия, развиваемого давлением газов, действующих на заднюю сторону большого выступа в форме буквы «L». Только эти кольца развивают дополнительное усилие, прикладываемое к стенкам цилиндров, когда в цилиндре имеется высокое давление, например, в такте сжатия и особенно в момент после сгорания рабочей смеси. Конечно, когда высокого давления в цилиндре нет, кольцо ослабляется, уменьшая трение и износ.
Второе компрессионное и маслосъемное кольца двигателя
Основная задача второго компрессионного кольца — обеспечение дополнительного уплотнения после верхнего маслосъемного кольца. Из-за этого второе кольцо обычно «следит» только за газами, которые проходят мимо верхнего кольца, а давление и температура отличаются от значений для верхнего компрессионного кольца. Соответственно материалы и конструкция второго кольца являются менее критичными.
Однако, второе кольцо имеет важную дополнительную функцию: оно помогает маслосъемному кольцу, действуя как «скребок», предотвращает попадание излишнего масла в камеру сгорания и возникновение детонации.
Некоторые вторые компрессионные кольца специально сделаны скошенными, чтобы содействовать работе маслосъемного кольца, а скос наименьший у верхнего края кольца. При этом оно стремится двигаться поверх масла при движении вверх в цилиндре и будет удалять масло при движении вниз. Если удаление масла является проблемой, то такой тип кольца принудительно удаляет масло, хотя второе кольцо с плоской поверхностью вместе с маслосъемным кольцом «нормального» усилия — это все, что нужно.
Второе компрессионное кольцо без зазора является новой конструкцией. Используемый здесь термин «без зазора» в чем-то неправильный, т. к. вообще невозможно изготовить кольцо полностью без зазора — его будет невозможно установить на поршень, и кольцо будет нерегулируемым даже при самых малых отклонениях формы отверстия цилиндра от окружности. Не обращая внимания на это, кольцо можно сделать без видимого зазора для газов, проходящих мимо кольца.
При использовании этих колец двигатель прирабатывается быстрее в процессе обкатки, и он выдает немного большую мощность при проверке на стенде.
Потребность в беззазорных кольцах зависит от того, как работают другие кольца. Если верхнее компрессионное кольцо обеспечивает качественное уплотнение, то беззазорное второе компрессионное кольцо менее важно. В реальности дело обстоит не так и второе беззазорное компрессионное кольцо может быть средством при получении большей мощности.
Маслосъемные кольца важны для функционирования двигателей, особенно при использовании низкооктанового бензина. Моторное масло загрязняет камеры сгорания и головки поршней, что вызовет снижение мощности.
Вопрос № 18. Зачем нужен замок поршневых колец?
Ответ: При установке поршня в цилиндр кольца сжимаются до небольшого зазора в замке и плотно прилегают к поверхности цилиндра, что предотвращая прорыв газов в картер двигателя и попадание масла со стенок
цилиндра в камеру сгорания.
Вопрос № 19. Из какого материала изготавливают поршневые кольца?
Ответ: Поршневые кольца изготавливают из легированного чугуна, для двигателей с большими динамическими нагрузками — из специальной стали.
Вопрос № 20. Чем и для покрывают компрессионные кольца?
Ответ: Поверхность верхнего компрессионного кольца для повышения износостойкости подвергают пористому хромированию.
Вопрос № 21. Чем отличается маслосъемное кольцо от компрессионного?
Ответ: Чугунное маслосъемное кольцо отличается от компрессионного прорезями для прохода масла.
Вопрос № 22. Для чего нужны отверстия в канавке поршня под маслосъемное кольцо?
Ответ: В канавке поршня под маслосъемное кольцо сверлят один или два ряда отверстий для отвода масла внутрь поршня.
Вопрос № 23. Устройство составного маслосъемного кольца?
Ответ: Составное маслосъемное кольцо разборное, оно состоит из двух стальных кольцевых дисков и двух расширителей: осевого и радиального.
Вопрос № 24. Куда направлены выточки на внутренних цилиндрических поверхностях компрессионных колец?
Ответ: Компрессионные кольца в канавках поршня и чугунной вставке располагают так, чтобы выточки на внутренних цилиндрических поверхностях компрессионных колец были направлены вверх, в сторону днища поршня.
Вопрос № 25. Какой зазор в замках поршневых колец?
Ответ: У большинства двигателей зазор в замках двух верхних Компрессионных колец и чугунного маслосьемного составляет 0,25. 0,60 мм.
Вопрос № 26. Зазор на нижнем компрессионном кольце?
Ответ: На нижнем компрессионном кольце — 0,15. 0,40 мм.
Вопрос № 27. Зазор в замке кольцевых дисков составного маслосъемного кольца?
Ответ: в замке кольцевых дисков составного маслосьемного кольца — 0,8. 1,4 мм.
Вопрос № 28. Расположение замков колец на поршне?
Ответ: При наличии чугунного маслосъемного кольца замки всех колец при установке на поршень располагают по окружности под углом 90.
Вопрос № 29. Расположение замков колец на поршне?
Ответ: При наличии чугунного маслосъемного кольца замки всех колец при установке на поршень располагают по окружности под углом 90.
Вопрос №30. Для чего служит поршневой палец?
Ответ: Для шарнирного соединения поршня с верхней головкой шатуна служит поршневой палец.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Поршневые кольца двигателя: основное назначение
Поршневыми в автомеханике называются разомкнутые кольца с так называемыми замками, устанавливаемые с минимальным расстоянием на внешнюю часть поршней в паровых и традиционных двигателях внутреннего сгорания.
Поршневыми в автомеханике называются разомкнутые кольца с так называемыми замками, устанавливаемые с минимальным расстоянием на внешнюю часть поршней в паровых и традиционных двигателях внутреннего сгорания.
Задачи поршневых колец:
- обеспечение герметичности расширительной камеры: двигатель не станет работать при любой неисправности колец;
- удаление излишек тепла от поршня, то есть повышение теплоотдачи двигателя;
- минимизация расхода моторного масла.
Основные типы поршневых колец
Компрессионные: верхние (их основное назначение — предварительное обеспечение герметичности системы), нижние (обеспечивают финишную герметизацию работающего двигателя после прохождения отработанного газа через компрессионные верхние и промежуточные кольца);
Промежуточные маслосъемные: должны удалять излишки моторного масла с поверхности цилиндра, поршня и уплотнительных колец при оставлении минимально необходимой пленки из масла на стенках цилиндров и поршней.
Материал поршневых колец:
- ковкий и пластичный чугун. Традиционный материал, удерживающий масло и уменьшающий износ цилиндров благодаря пористой структуре;
- хромированный чугун. Обладает высокой степенью износоустойчивости, в том числе при критических значениях температуры и давления, однако требующий математически выверенного соблюдения технологии обработки колец, доступной только в лабораторных условиях;
- маркированная нержавеющая сталь. Ее характеристики практически те же, что и у хромированного чугуна, но технология производства проще и, конечно, дешевле;
- молибденовый чугун. Кольца из этого материала наиболее дороги, но, вместе с тем, обладают наивысшим уровнем износоустойчивости и долговечности. Используются, в основном, в элитных и уникальных моделях сверхскоростных автомобилей.
Износ и поломка поршневых колец
Кольца обязательно изнашиваются в процессе работы вследствие как трения о поверхность цилиндров, так и в результате воздействия отработанного газа высокой температуры, содержащего серу (это особенно проявляется при использовании дизельного топлива).
Кроме того, они могут просто разломиться на несколько частей из-за неустранимого путем промывания и химической очистки слеживания в их канавках твердых несгоревших частиц топлива.
Замена поршневых колец
В принципе, замена колец осуществляется одновременно с расточкой цилиндра и установкой новых поршней. Здесь важно, чтобы утопление поршня с кольцами в цилиндре было свободным и достаточно плотным, но не абсолютным, то есть не допускающим возможности заклинивания.
Достоинства и недостатки конструкции
Все типы колец для поршней традиционно подразделяются на тонкие (узкие) и широкие.
Узкие поршневые кольца. Специалисты считают, что узость кольца препятствует его чрезмерной вибрации в высокооборотных двигателях и уменьшает его соприкосновение с внутренней поверхностью цилиндра. Это действительно так, однако такие кольца, помимо того, что стоят недешево из-за стоимости самого материала и особой его обработки, очень быстро изнашиваются сами и в ускоренном режиме «стирают» внутреннюю поверхность цилиндров.
Широкие кольца. Отличаются сравнительно невысокой ценой, общедоступностью, более длительным сроком полезного использования и надежностью в том смысле, что при нормальном эксплуатационном режиме не стоит опасаться их неожиданного выхода из строя. Именно такой тип колец и используется в массовом автомобилестроении.
Поэтому, при всей популярности скоростных автомобилей с форсированными двигателями (не только элитных для современных нуворишей, но и рабочих для специальных государственных служб) следует учитывать следующее:
Что называют замком поршневого кольца
Поршневые кольца. Теория.
В статье дана теоретическая выкладка о поршневых кольцах из справочника П. И. Орлова «Основы конструирования.»
Как часто люди начинают изобретать велосипед, как часто люди стремятся задать вопросы друг другу или тем, кто не поленился и посмотрел чуть раньше в книге что-то интересненькое. Люди готовы тратить время и свое и других людей только ради того что так быстрее. Но так ли уж быстрее? Ведь спросив один раз, второй, третий, ты может и получишь ответ, но на четвертый тебя пошлют, ибо человек хочет тратить время на то, что интересно ему, и не хочет делиться своими знаниями с лентяями, которым просто влом открыть книгу на нужной страничке. Часто люди просто не знают где искать и этим даже активно оправдывают свою лень. Но ведь оправдание не есть причина.
Есть старинная притча.
К мудрому рыболову подошел нищий путник и попросил дать ему пойманной рыбы. Но мудрый старик встал, собрал свой улов, и ушел.
Но удочку не унес.
Так и с инфой, опытом. ими можно поделиться, но их нельзя передать. И вместо ответов на глупые вопросы тех, кто еще не успел научиться, куда разумнее давать им не знания, а путь, возможность взять знания. Ведь они же валяются просто под ногами.
Вы думаете, человечество идет по пути прогресса? Улучшаются технологии? Придумывается что-то сильно новое, так сказать революционное? Хрен там! Все, что есть сегодня, придумано и разработано очень давно. Просто не время было применять. Это ка титан – классная штуковину, супер просто, но знаете ли вы на сколько дорого было его полчить в самом начале? Прочный, легкий, жаростойкий, хорошо противостоит коррозии, и в земле его ну просто валом. Впервые появился 1910 году, а например уже в 1948 году во всем мире его было произведено всего 2 тонны.
Одним словом не прогресс на дворе, а развитие придуманного и исследованного раньше.
Самая распространенная деталь в поршневых движках наряду с самим поршнем – это поршневые кольца. О них я и хочу дать вам академическую информацию.
Перепечатал из книги, которую (наряду со всеми подобными изданиями) как правило херят конструкторА нашей техники (а откуда им знать о ее существовании, они выпивали вино на задних партах, пока лектор о ней говорил), и прилежно изучают итальянцы с японцами. При перепечатке коечто сократил ( трудности с написанием формул в обычных шрифтах ) да оно и не нужно такие подробности, для общей эрудиции и этого достаточно.
Впрочем, ладно, хватит с вас на сегодня занудства. Поучите-ка матчасть. Учтите, что речь идет не только о ДВС, а о машиностроении в общем.
Текст позаимствован из книги:
Основы конструирования: Справочно-методическое пособие.
В 2-х кн. Кн. 1/Под ред. П. Н. Учаева. – Изд.3-е, испр. – М.:Машиностроение, 1988. – 560с.:ил.
Поршни небольшого диаметра (плунжеры гидравлических, масляных, топливных насосов и т.п.) уплотняют притиркой к поверхностям цилиндров. Уплотнение улучшают введением лабиринтных канавок.
Поршни большого размера, работающие при низких температурах и невысоких давлениях (например, в гидравлических, пневматических и вакуумных цилиндрах), уплотняют лабиринтными канавками или резиновыми кольцами.
При более высоких давлениях применяют манжетные уплотнения.
Наиболее надежное и универсальное уплотнение, способное работать при высоких температурах и держать самые высокие давления, — это уплотнение поршневыми кольцами. Оно применяется для уплотнения жидкостей и газов.
Поршневые кольца.
Поршневое кольцо представляет собой разрезное металлическое кольцо (обычно прямоугольного сечения), устанавливаемое в канавках поршня. Диаметр кольца в свободном состоянии больше диаметра цилиндра. При вводе в цилиндр кольцо сжимается и благодаря собственной упругости плотно прилегает к стенкам цилиндра по его окружности, за исключением узкого канала, образованном разрезом (замком) кольца.
Поршневые кольца при работе прижимаются к стенкам цилиндра не только силами собственной упругости, но и давлением рабочей жидкости (или газа), проникающей в поршневые канавки и действующей на тыльную поверхность поршневого кольца.
Это давление может во много раз превышать давление, вызванное силами собственной упругости; оно играет основную роль в уплотняющем действии поршневых колец. Натяг колец при вводе в цилиндр является лишь предварительным условием созданием этого давления.По принципу действия уплотнение поршневыми кольцами с этой стороны очень близко к манжетному уплотнению. Как и там, уплотняющий элемент прижимается к стенкам цилиндра силой, пропорциональной уплотняющему давлению.
С другой стороны, уплотнение поршневыми кольцами похоже на лабиринтное уплотнение. Кольца устанавливают в поршневых канавках с торцовым и радиальным зазорами. Будучи прижаты к стенкам поршневых канавок, кольца образуют ряд кольцевых полостей. Рабочая жидкость (или газ) проникающая в полость первого поршневого кольца, может перейти в следующую полость только через узкую щель в замке кольца. При прохождении через щель давление жидкости падает; этот процесс повторяется при перетекании жидкости в каждую последующую полость. В результате в последней полости давление жидкости будет гораздо меньше, чем в первой.
Обычно давление в уплотняемой полости цилиндра циклически колеблется от максимума (при рабочем ходе поршня) до нуля ( при обратном ходе поршня); волна жидкости, устремляющаяся в уплотнение имеет ограниченный запас энергии, который может быть полностью рассеян в уплотнении. При этих условиях лабиринтное уплотнение может быть вполне герметичным.
Для увеличения надежности уплотнения устанавливают последовательно несколько колец (обычно три). В уплотнениях, подверженных действию высоких давлений, устанавливают 5-10 колец, иногда и больше.
С целью уменьшения осевых габаритов уплотнения в одной поршневой канавке иногда устанавливают два кольца и более.
Кольца устанавливают в канавках с торцовым зазором дельта около 5-10% высоты кольца.
Зазор между тыльной поверхностью кольца и днищем поршневой канавки должен быть в пределах S=(20-25%)B от ширины кольца.
Зазор в замке кольца выбирают из условия, чтобы в рабочем состоянии (когда кольцо в цилиндре) в стыке оставался бы зазор для компенсации температурных деформаций. Этот просвет желательно делать минимальным для уменьшения перетекания жидкости через замок, а также с учетом того обстоятельства, что зазор в замке быстро увеличивается и износом кольца и стенок цилиндра.
Практически этот просвет делают равным 2-5 тысячным от диаметра цилиндрна. Если уплотнение работает при повышенных температурах (например в цилиндрах компрессоров и двигателей) то к этой величине просвета следует прибавить удлиннение кольца при нагреве.
Расчет поршневых колец на прочность.
Диаметр кольца в свободном состоянии выбирают с таким расчетом, чтобы получить достаточный натяг при введении кольца в цилиндр. Вместе с тем в материале кольца не должны возникать высокие напряжения в рабочем состоянии, когда кольцо сжато стенками цилиндра, и при установке кольца в поршневые канавки, когда концы колец разводят для надевания на поршень. Опасное сечение находится на оси симметрии кольца против замка. В рабоочем состоянии наружные волокна сеченияподвергаются растяжению, внутренние – сжатию; при надевании кольца наружные волокна сжаты, внутренние – растянуты.
(Математика расчета для сайта не приводится.)
Обычно придерживаются следующих правил конструирования поршневых колец:
1.ширина кольца В должна быть не более 1/20 цилиндра
2.диаметр кольца в свободном состоянии должен быть не более 1,03-1,04 диаметра цилиндра.
Превышение этих величин вызывает высокие напряжения при работе и надевании кольца на поршень. В каждом отдельном случае оно должно быть обосновано расчетом. . Напряжения в кольце не зависят и оказываемое им давление на стенки цилиндра не зависят от высоты кольца h.
Увеличение высоты кольца вызывает только повышение жесткости кольца, сопровождающееся ослаблением манжетного эффекта и увеличением силы, необходимой для надевания кольца на поршень.
Высоту кольца h обычно делают равной (0,5-0,7)b
Поршневые кольца равномерного давления.
Кольца круглой формы не обеспечивают равномерного давления по окружности. Типичная полярная диаграмма давлений (роза давлений) для этих колец показана на рис.
Равномерное давление обеспечивают кольца, образованные двумя окружностями, из которых внутренняя смещена до соприкосновения с наружной окружностью.
Практически такие кольца невыполнимы; можно только в большей или меньшей степени приблизится к такой форме. Такую форму придают иногда пружинным стопорным кольцам для выравнивания давления по окружности и повышения гибкости кольца с целью облегчения монтажа.
Другой способ получения равномерного давления по окружности состоит в том, что кольцу в свободном состоянии придают форму, несколько напоминающую эллипс (эти кольца условно называют эллиптическими). После введения в цилиндр кольцо принимает круговую форму и оказывает равномерное давление на стенки цилиндра.
(Методика определения координат опущена)
Конструкция колец.
Чаще всего применяют кольца прямоугольного сечения. На внутренних углах колец делают фаски (0,2-0,5)х45 градусов во избежание прилегания колец к закругленным углам поршневых канавок, а также для облегчения надевания колец на поршень. У колец большого диаметра на наружной поверхности делают лабиринтные канавки.
Для увеличения давления на стенки цилиндра на наружной поверхности колец делают кольцевые выборки. Однако эта мера уменьшает манжетный эффект кольца, так как давление жидкости на наружную поверхность кольца на участке выборки уравновешивает давление на тыльную поверхность кольца.
Это обстоятельство используют для равномерного распределения нагрузки между кольцами. Выборки в первых, обращенных к рабочему пространству цилиндра кольцах, снижают силу прижатия первых колец к стенкам цилиндра и тем самым подгружают следующие кольца. Этот прием применяют в гидравлических цилиндрах, в цилиндрах поршневых компрессоров и т.д. Указанный прием полезен и в вакуумных цилиндрах, где вакуум отжимает кольца от стенок цилиндра и где, следовательно, важно уменьшить манжетный эффект.
У двигателей внутреннего сгорания выборки не делают, т.к. это увеличивает опасность закоксовывания колец из-за проникновения продуктов сгорания в зазор между кольцом и стенкой цилиндра. Выборки делают только на последних кольцах, к которым подводится давление, значительно ослабленное дросселирующим действием предыдущих колец, и где приходится полагаться больше на собственную упругость кольца, чем на манжетный эффект. Выборки, подобные изображенным на рис мало влияют на манжетный эффект.
Для ускорения приработки колец к стенкам цилиндра наружную поверхность колец выполняют конической.
оставляя узкую (0,3-0,5мм) цилиндрическую ленточку. Этот способ требует индивидуальной обработки колец на конус.
Опущен способ групповой обработки колец на конус в пакете.
Другой прием придания конусности рабочей поверхности, основан на свойстве ассиметричных сечений скручиваться под действием изгибающих сил. На внутренней поверхности колец делают выборки или скосы, смещающие главную ось инерции сечения относительно направления изгибающих сил. При введении в цилиндр такие кольца скручиваются под действием давления, оказываемого стенками цилиндра, в результате чего наружная поверхность колец приобретает коническую форму.
Конусность различна по окружности колец и максимальна на концах кольца. Трение кромок кольца о стенки цилиндра при ходе поршня вниз, в свою очередь, способствует скручиванию кольца. Благодаря простоте исполнения скручивающиеся кольца получили широкое распространение.
Кольца трапециевидного сечения применяют в цилиндрах, работающих при высокой температуре (цилиндры ДВС, поршневых компрессоров высокого давления), где имеется опасность закоксовывания колец из-за разложения масла при высоких температурах.
Коническая форма колец способствует выдавливанию отложений из поршневых канавок при каждой перемене направления движения поршня, благодаря чему кольца сохраняют подвижность в канавках. Трапецеидальные кольца, кроме того, оказываю повышенное давление на стенки цилиндра в результате расклинивающего действия конических поверхностей канавок при движении кольца. На рис также показаны скручивающиеся трапецеидальные кольца.
Маслосбрасывающие кольца.
В цилиндрах, работающих на газах, необходимо предупредить проникновение смазочного масла в рабочую полость цилиндра. Задачу решают применением маслосбрасывающих (или масляных) колец, устанавливаемых впереди (по направлению рабочего хода поршня) обычных уплотняющих колец, которые в данном случае называют газовыми кольцами. Масляные кольца соскабливают избыточное масло со стенок цилиндра, предупреждая проникновение его к газовым кольцам и в рабочую полость цилиндра. Для всех конструкций масляных колец характерно следующее: 1) повышенное давление на стенки цилиндра, достигаемое уменьшением трущихся поверхностей колец; 2) наличие полостей, в которых собирается соскабливаемое масло; 3) отвод соскабливаемого масла через отверстия, сообщающие поршневые канавки с внутренней полостью поршня; 4) увеличенные осевые зазоры в канавке.
В конструкциях на рисунке кольцам придана форма скребка. Масло, соскабливаемое со стенок цилиндра, удаляется через торцовый зазор в поршневой канавке и по радиальным отверстиям в стенках поршня.
В кольце на след. рисунке выполнена дополнительная маслосбрасывающая полость, сообщающаяся окнами (или радиальными отверстиями) с тыльной поверхностью кольца.
В конструкции на рисунке масло удаляется из-под скребка через пазы на торце кольца.
На рисунке изображено маслосбрасывающее кольцо трапецеидального профиля.
Для тяжелых условий работы применяют сдвоенную установку масляных колец.
Замки поршневых колец.
Наиболее простой замок –с прямым разрезом имеет тот недостаток, что концы кольца оказывают повышенное давление на стенки цилиндра и вырабатывают поверхность стенок. Утечка через такой замок относительно велика.
Лучше замки с косым разрезом, у которых давление на стенки цилиндра равномернее в силу постепенного утоньшения концов. Уплотняющая способность таких замков выше благодаря удлинению пути жидкости в замке. Кроме того, при заданном зазоре в плоскости смыкания кольца (тангенциальный зазор) нормальный зазор в стыке, определяющий величину перетекания жидкости, здесь меньше и равен приблизительно 0,7 от обычного.
Еще выше уплотняющая способность ступенчатых замков, у которых зазор в стыке теоретически равен нулю. Однако изготовление таких замков сложнее; кроме того, при малой высоте колец их усы получаются слишком тонкими и легко ломаются. Для увеличения прочности целесообразно переход усов в тело кольца выполнять плавными галтелями.
На след рисунке изображен «герметичный» двухступенчатый замок со ступенями, расположенными во взаимно перпендикулярных плоскостях. Утечка газов через стык здесь существенно меньше, чем в предыдущих конструкциях. Однако изготовление таких замков много труднее.
Стопорение колец
Так как кольца устанавливают в поршневых канавках подвижно, то может случиться, что при работе стыки смежных колец станут друг против друга, в результате чего утечка увеличится. Для предупреждения этого явления поршневые кольца стопорят в угловом направлении с помощью радиальных штифтов, располагаемых в стыке колец и закрепляемых в теле поршня. Стыки соседних колец устанавливают диаметрально противоположно.
Способы стопорения показаны на рисунке.
Недостаток стопорения колец в том, что кольца (в силу всегда имеющейся неравномерности давления по периферии) изнашивают стенки цилиндра неравномерно, нарушая его круглую форму. У подвижных незастопоренных колец неравномерность сглаживается угловым перемещением (блужданием) колец в поршневых канавках во время работы. У колец с косым стыком угловое перемещение имеет регулярный характер, благодаря сдвигающим силам, возникающим в стыке при возвратно-поступательном движении поршня и стремящимся повернуть кольцо в канавке.
Стопорение колец обязательно, если на стенках цилиндра имеются углубления, каналы, окна (например, продувочные окна в двухтактных двигателях внутреннего сгорания), пересекаемые кольцами при возвратно-поступательном движении поршня. Случайное совпадение стыка с окнами может вызвать поломку колец.
Материалы. Изготовление.
Поршневые кольца изготавливают чаще всего из качественного перлитного чугуна, отличающегося износостойкостью и высокими антифрикционными свойствами, обусловленными присутствием в структуре пластинчатого графита.
Чугунные поршневые кольца после обдирки подвергают старению, естественному или искуственному (при 500-550 градусов)
Кольца, работающие в условиях обильной смазки, изготавливают из пружинной стали, закаленной и подвергнутой среднему отпуску (350-500 градусов). Стальные кольца требуют повышенной поверхностной прочности стенок цилиндра.
Иногда поршневые кольца из кованной бронзы марок БрАНЖ или БрАМЖц, а в ответственных случаях – из берилиевой бронзы марки БрБ2.
«Эллиптические» кольца равномерного давления получают одним из следующих способов: 1) отливкой (для чугунных колец) заготовок, имеющих в плане форму, соответствующую теоретическому профилю; 2) обработкой заготовок по копиру; 3) деформацией заготовки с последующей фиксацией формы термической обработкой (термический способ); 4) накатыванием внутренней поверхности колец с переменной силой накатки.
Чугунные кольца ответственного назначения изготовляют литьем в кокили. Отливки получают с минимальными припусками на последующую механическую обработку.
При обработке по копиру, кольцу придают необходимый профиль точением или фрезеровкой точением или фрезерованием. Затем делают прорез, сводят концы и в таком состоянии обрабатывают наружную и внутреннюю поверхности на круглошлифовальных станках.
При изготовлении чугунных колец по термическому способу круглые заготовки, выполненные с небольшим припуском на механическую обработку, надевают на оправку, форма которой соответствует теоретическому профилю. Полученную форму фиксируют нагревом заготовок до температуры 600-650 градусов, после чего передают заготовки на отделочные операции, которые производят со сведенными концами.
При накатывании кольца укладывают в кольцевые канавки вращающегося приспособления; тыльную поверхность колец накатывают роликом, эксцентрично установленным в приспособлении так, чтобы он оказывал максимальное давление на стороне кольца, противоположной замку. При правильном выборе величины эксцентриситета кольцо, расправляясь после накатывания, принимает форму близкую к теоретической. После этого шлифуют торцы и в сведенном состоянии наружную поверхность колец.
При накатывании происходит нагартовка: во внутренних волокнах кольца создаются напряжения сжатия, противоположные напряжениям растяжения, возникающим при надевании кольца на поршень, благодаря чему можно безопасно увеличить ширину кольца с выигрышем в давлении.
После отделочных операций кольца подвергают притирке в эталонном цилиндре. Точность прилегания колец проверяют просвечиванием щели между наружной поверхностью кольца и стенками эталонного цилиндра. Нормы допустимого просвета устанавливают в зависимости от назначения колец. Для точных колец допустим просвет не более 0,01 мм.
Кольца ответственного назначения проверяют на равномерность радиального давления с помощью элктропьезометрических или электромагнитных приборов с построением полярной диаграммы давлений.
Покрытия
Для увеличения износостойкости и срока службы колец рабочую поверхность поршневых колец хромируют. Хромовое покрытие отличается очень высокой твердостью (VH 900-1000), жаростойкостью, низким коэффициентом трения и противозадирными свойствами.
При гальваническом твердом хромировании хром наносят сплошным слоем толщиной 0,15-,025мм для малых колец и до 0,5мм для больших колец.
После хромирования тонкопокрытые кольца устанавливают в цилиндр; толстопокрытые кольца подвергают шлифованию для устранения неравномерности покрытия хрома.
Твердому хромированию присущи следующие недостатки: 1) вследствие высокой твердости хрома и плохой смачиваемости маслом процесс приработки колец очень затягивается; 2) кольца требуют повышенной точности изготовления цилиндра и полного устранения просветов между кольцом и зеркалом цилиндра.
Эти недостатки в значительной мере устраняются пористым хромированием. Хром сначала наносят сплошным слоем, а затем наружную поверхность покрытия разрыхляют (пересеной направления тока в конце хромирования) на глучбину, равную примерно 0,25 толщины покрытия.
Пористая поверхность хорошо удерживает масло. В процессе приработки разрыхленная поверхность сравнительно быстро истирается (особенно на участке повышенного давления) , после чего обнажается нижележащий слой твердого сплошного хрома. Присутствие масла в пористом слое предупреждает задиры в процессе приработки.
Износостойкость пористохромированных колец сильно зависитот структуры пористого слоя, предопределяющей правильность поцесса приработки. Наилучшие результаты дает сетчатая пористоть с размером пор 0,05-0,1мм2 При правильно проведенном процессе приработки износостойкость хромированных колец в 15-25 раз превышает износостойкость обычных чугунных колец.
Материалл хромированных колец не имеет столь большого значения, как материалл нехромированных колец. Это позволяет применять для изготовления хромированых колец высокопрочный модифицированный чугун с шаровидным графитом и сталь.
Применяют также хромирование зеркала цилиндра. Этот процесс дороже хромирования колец, т.к. хромированная поверхность цилиндров подлежит тщательной обработке. Однако этот способ открывает возможность изготовления цилиндров из алюмниевых сплавов, отличающихся высокой теплопроводностью, что имеет особое значение для цилиндров, работающих при повышенных температурах.
Другие способы повышения износостойкости поршневых колец перечислены ниже.
Оксидирование (воронение). Образование на поверхности колец тонкого (0,01мм) слоя магнитной окиси железа Fe3O4 путем выдержки колец при 500-550 в атмосфере газообразных окислителей и водяного пара.
Фосфатирование – выдержка колец в горячем водном растворе фосфорной кислоты, насыщенном фосфатами Fe, Mn, Zn. На поверхности колец образуется пористый кристаллический слой фосфатов, хорошо впитывающий смазку.
Диффузионное силицирование – выдержка колец в порошкообразном карбиде кремния SiC при температуре около 1000 градусов по цельсию. При этом поверхностный слой насыщается кремнием, повышающим износостоцкость колец.
Диффузионное хромирование – насыщение поверхностного слоя хромом путем выдержки колец в расплавленном хлористом хроме CrCl2 или в атмосфере газообразных хлоридов хрома при температуре около 1000 градусов.
Алитирование – выдержка колец в смеси порошкообразного алюминия и окиси алюминия Al2O3 при температуре около 1000 градусов, в результате чего в поверхностном слое образуются кристаллы твердого раствора алюминия в альфажелезе, а на поверхности – тонкая износостоцкая пленка окиси алюминия.
Сульфидирование – вдержка колец в горячем растворе едкого натрия NaOH с примесью серы или в расплаве цианистого натрия NaCH и сернокислого натрия Na2SO4 Сульфидрованный слой отличается отлиается исключительной износостойкостью и сопротивлением схватыванию.
Для ускорения приработки кольца подвергают гальваническому лужению, кадмированию или омеднению. Наилучшие результаты дает лужение. Гальваническое лужение производят в ванне с натриевой солью оловянной кислоты при 75 градусах. Тольщина слоя олова 0,005-0,010мм.
Кольца, работающие при умеренных температурах, покрывают тонким слоем синтетической смолы (эпоксиды), фторопластов и т.п. с примесью графитного или металлического порошка.