Текст книги "Мотоциклы"

Автор книги: Федор Жигарев

Соавторы: Сергей Карзинкин
сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 21 страниц)

2. Поршни, поршневые пальцы, поршневые кольца

Поршень

Поршень воспринимает давление газов при сгорании рабочей смеси в цилиндре двигателя и через шатун передает его коленчатому валу.

Во время работы двигателя поршень подвергается механической нагрузке от давления газов, изменяющегося за рабочий цикл от 0,8 кг/см² (на такте впуска) до 40 кг/см² (в момент сгорания рабочей смеси). Кроме того, температура газов, соприкасающихся с днищем поршня, изменяется за рабочий цикл от 50 °C до 2200 °C и температура днища поршня в процессе работы достигает средней величины – 250–350 °C.

У высокооборотных мотоциклетных двигателей средняя скорость движения поршня достигает 15–20 м/сек и соответственно силы инерции поршня также достигают значительной величины. Следовательно, поршень работает в условиях резко меняющихся тепловых и механических нагрузок и прочность его в известной степени понижена вследствие нагревания до высокой температуры. Кроме того, механические и тепловые нагрузки значительно ухудшают условия смазки поршня. Поэтому к поршням современных мотоциклетных двигателей предъявляются следующие требования:

1) обеспечение герметичности между рабочей полостью цилиндра и картером;

2) невысокая температура поршня и отсутствие местных перегревов;

3) отсутствие заедания, стука и перекоса поршня в цилиндре во время работы;

4) высокая прочность ври минимальном весе;

5) минимальные потери на трение между поршнем и цилиндром;

6) минимальный износ стенок поршня и цилиндра.

Герметичность между рабочей полостью цилиндра и картером обеспечивается наличием на головке поршня канавок, в которых установлены компрессионные кольца, перекрывающие зазор между стенками поршня и цилиндра, и маслосъемные кольца, очищающие поверхность цилиндра от масла и не допускающие проникновения его в рабочую полость цилиндра.

Температура поршня зависит от количества тепла, передающегося поршню от горячих газов, а также от количества тепла, передаваемого от поршня через кольца и его юбку стенкам цилиндра и от внутренней поверхности поршня маслу и воздуху в картере. Небольшой отбор тепла поршнем от газов в такте расширения улучшает условия полного сгорания горючего в цилиндре двигателя, так как в этом случае температура газов, а следовательно, и давление их будут более высокими.

Таким образом, чем меньше тепла поршень будет принимать от горячих газов и чем больше тепла будет передаваться от поршня цилиндру и воздуху в картере, тем ниже будет средняя температура поршня. При низкой средней температуре поршня улучшается наполнение цилиндра двигателя горючей смесью, так как в этом случае горючая смесь при впуске меньше нагревается от поршня и плотность ее к началу сжатия сохраняется достаточно высокой. Низкая температура поршня допускает повышение степени сжатия, потому что сравнительно небольшое нагревание рабочей смеси в процессе сжатия уменьшает возможность образования перекисей, а следовательно, и уменьшает возможность детонационного сгорания горючего. Кроме того, при низкой температуре поршня уменьшается его тепловое расширение, что ограничивает возможность заедания, стуков и перекоса поршня в цилиндре во время работы двигателя.

Уменьшение заеданий, стуков и перекосов поршня в цилиндре осуществляется также подбором материала для изготовления поршня и установлением определенных зазоров между поршнем и цилиндром в различных точках поршня. Величина зазора между стенками поршня и цилиндром подбирается в зависимости от температуры поршня и цилиндра, а также в зависимости от теплового расширения материала, из которого изготовлен поршень. Зазор между стенками поршня и цилиндра должен обеспечивать свободное перемещение поршня в цилиндре при высокой температуре и сохранение минимально необходимого слоя масла между стенкой поршня и цилиндром. В головке поршня зазор делается несколько большим, чем в юбке, так как головка поршня нагревается в большей степени. Этот зазор должен быть минимальным и у холодного, и у горячего двигателя. Но так как поршни мотоциклетных двигателей обычно выполняются из алюминиевого сплава, который обладает большим тепловым расширением, величина зазора между юбкой и цилиндром сильно изменяется после пуска и прогрева двигателя, а при перегреве двигателя зазор может совсем исчезнуть. Вследствие этого может произойти заклинивание поршня: поршень плотно прижмется к стенкам цилиндра и трение между ними увеличится настолько, что двигатель остановится. При сильном перегреве двигателя заклинивание поршня может привести к отрыву юбки поршня от его головки или к разрыву стержня шатуна.

Для уменьшения возможности заклинивания поршня в его юбке выполняются прорези, обеспечивающие ее упругость. Такой поршень в случае перегрева двигателя заклиниваться не будет, так как увеличение периметра юбки поршня будет компенсироваться за счет уменьшения ширины прорези. Поэтому при наличии прорези на юбке можно устанавливать минимальный зазор между поршнем и цилиндром у холодного двигателя. Однако наличие прорези ослабляет поверхность юбки, поэтому поршни всегда устанавливают прорезями в сторону той стенки цилиндра, на которую не передается давление юбки во время рабочего хода. Прорезь, идущая вниз по стенке юбки, выполняется наклонно. Это делается с целью равномерного износа стенки цилиндра, так как при вертикальном расположении прорези износ поверхности цилиндра, приходящейся против этой прорези, был бы меньше, чем износ остальной его поверхности.

Для уменьшения трения между поршнем и цилиндром и заедания поршня среднюю часть юбки делают овальной, причем малый диаметр овала поршня располагают по оси поршневого пальца. Это вызвано следующими соображениями:

1) Во время такта расширения поршень под действием давления газов прижимается к боковой стенке цилиндра и поэтому сечение поршня принимает форму овала, большой диаметр которого расположен по оси поршневого пальца.

2) Под действием давления газов днище поршня прогибается внутрь и юбка поршня расширяется внизу по оси поршневого пальца. Это происходит потому, что бобышки поршня, обычно связанные с днищем поршня ребрами, делают эту часть юбки более жесткой. Поэтому стенки юбки, не имеющие бобышек, являются более слабыми и деформируются в большей степени.

3) Днище поршня, нагреваясь, уводит в стороны бобышки. Так же как и в предыдущем (во втором) случае, менее жесткая часть юбки поршня деформируется и сечение поршня принимает овальную форму с увеличением размера юбки поршня по оси пальца.

У современных мотоциклетных двигателей днище поршня может быть выполнено плоским, выпуклым или вогнутым в зависимости от формы камеры сжатия, степени сжатия и системы распределения. Плоское днище имеет меньшую поверхность соприкосновения с газами, тепло меньше переходит в поршень с плоским днищем, а следовательно, и отвод тепла от газов будет меньше, чем у поршня с выпуклым или вогнутым днищем. Выпуклое днище, как и вогнутое, обладает большей жесткостью по сравнению с плоским.

У двухтактных двигателей иногда на днище поршня делается отражатель (рис. 23), предназначенный для направления потока горючей смеси, поступающей в цилиндр через продувочное окно, вверх, а также для вывода отработавших газов, поступающих сверху вниз, из цилиндра в выпускное окно.

Рис. 23. Поршень с отражателем.

При таком направлении потоков горючей смеси и отработавших газов уменьшается возможность их смешения, что в свою очередь обеспечивает хорошее наполнение цилиндров горючей смесью.

На рис. 24 представлен поршень двигателя мотоцикла М-72.

Рис. 24. Поршень с плоским днищем двигателя мотоцикла М-72.

Поршень имеет плоское днище и три канавки для поршневых колец. Верхние два кольца компрессионные, нижнее – маслосъемное.

Над верхним поршневым кольцом в головке сделана узкая глубокая выточка. Она представляет собой воздушный экран, отражающий поток тепла, идущий от днища поршня к поршневым кольцам. Недостатком головки С выточкой является то, что масло, попадающее в выточку, коксуется и вскоре кокс заполняет ее. При этом значение выточки как экрана уменьшается.

В нижней кольцевой канавке сделана сквозная прорезь. Соединение головки и юбки в этом случае осуществляется только боковыми стенками поршня над бобышками и ребрами бобышек. При этом количество тепла, поступающего от головки поршня к юбке, уменьшается и температура юбки значительно снижается, что позволяет устанавливать небольшой зазор между юбкой и цилиндром.

На нижнем краю юбки имеются два небольших выреза, которые предотвращают возможность удара по противовесам коленчатого вала при положении поршня в нижней мертвой точке. В бобышках поршня сделаны отверстия для поршневого пальца. В этих отверстиях выполнены канавки, в которые устанавливаются стопорные кольца, ограничивающие осевое перемещение поршневого пальца в отверстиях бобышек. Внутренне концы бобышек связаны с днищем поршня ребрами, увеличивающими жесткость бобышек.

Поршень двигателя мотоцикла М1А (рис. 25) имеет выпуклое днище, две канавки для поршневых колец и вырезы на нижней части юбки.

Рис. 25. Поршень с выпуклым днищем двигателя мотоцикла М1А.

Эти вырезы оставляют открытыми отверстия двух продувочных каналов, сообщающих кривошипную камеру с полостью цилиндра при положении поршня около нижней мертвой точки. Внутри каждой кольцевой канавки установлен штифт, предохраняющий кольцо от проворачивания в канавке. Каждая бобышка связана с днищем поршня ребром. В отверстиях бобышек имеются канавки для установки стопорных колец.

Поршень двигателя мотоцикла ИЖ-350 имеет такую же конструкцию, как поршень двигателя мотоцикла M1А. Отличается он тем, что в нем имеются три кольцевые канавки и разрез в юбке поршня.

Поршень двигателя мотоцикла М-75 (рис. 26) имеет выпуклое днище, на котором имеются углубления, предотвращающие удар поршня о клапаны при их перекрытии.

Рис. 26. Поршень с выпуклым днищем двигателя мотоцикла М-75.

В головке поршня сделаны три канавки: две для компрессионных колец и одна для маслосъемного. Для отвода масла от маслосъемного кольца внутрь поршня в нижней кольцевой канавке и на фаске под нею выполнены отверстия.

Поршневой палец

Поршневой палец служит для соединения поршня с шатуном. Он представляет собой полый цилиндрический стержень, проходящий через отверстия в малой головке шатуна и в бобышках поршня. Поршневой палец для уменьшения его веса обычно выполняется полым.

Диаметр его должен быть значительным для создания достаточной опорной поверхности и уменьшения износа как пальца, так и отверстий поршня и шатуна.

По способу крепления поршневые пальцы делятся на закрепленные и плавающие.

Закрепленными называются пальцы, которые закреплены или в бобышке поршня, или в большой головке шатуна. Этот способ крепления в настоящее время почти не применяется, так как поршневые пальцы при таком способе крепления вращаются или во втулке большой головки шатуна, или в бобышках. При этом относительная скорость вращения их будет велика и соответственно будет велик и их износ.

В настоящее время наибольшее распространение получили плавающие пальцы. Плавающими называются пальцы, осевое перемещение которых ограничено пружинными замками, расположенными с торцов пальца, или заглушками, которыми пальцы могут опираться на зеркало цилиндра. Плавающие пальцы отличаются от закрепленных небольшим и равномерным износом поверхности, так как палец вращается как во втулке поршневой головки, так и в отверстиях бобышек и относительная скорость вращения его незначительна.

Поршневой палец выполняется из стали, наружная поверхность его цементируется. Для упрощения производства осевое сверление в пальцах часто делают цилиндрическим, но в некоторых случаях для увеличения прочности стенки пальца в средней его части делают более толстыми.

На рис. 27 показан поршневой палец 1 двигателя мотоцикла М-72.

Рис. 27. Крепление поршневого пальца двигателя мотоцикла М-72: 1 – поршневой палец; 2 – пружинный замок; 3 – поршень; 4 – шатун; 5 – стенка цилиндра.

Он представляет собой полый цилиндрический стержень, длина которого менее диаметра поршня. От осевого перемещения палец удерживается пружинными замками, заправленными в кольцевые выточки, выполненные в отверстиях бобышек поршня. Пружинный замок выполнен из стальной проволоки, согнутой по дуге, радиус которой несколько больше радиуса кольцевой выточки в бобышке поршня. Оба конца проволоки загнуты к центру дуги. Так как глубина кольцевой выточки в бобышке равна половине толщины кольца, выступающая из выточки часть кольца является упором для торца поршневого пальца. Загнутые внутрь концы проволоки служат для вставки и выемки замка.

Такого типа стопорные кольца отличаются простотой изготовления. Недостатком их является сравнительно быстрая разработка кольцевых канавок в отверстии бобышек. Во время работы двигателя торец поршневого пальца, соприкасаясь с стопорным кольцом, провертывает его в кольцевой канавке, что вызывает быстрый износ канавки.

Поршневой палец двигателя мотоцикла ИЖ-350 имеет полый палец, удерживаемый от осевого перемещения стопорным кольцом, входящим в выточки в отверстиях бобышки.

Иногда стопорные кольца имеют прямоугольное сечение. В этом случае соприкосновение торца пальца с замком происходит по всей плоскости торца, вследствие чего уменьшается трение кольца о стенки канавки, а следовательно, уменьшается и износ канавки.

В некоторых двухтактных двигателях для фиксации поршневого пальца от осевого перемещения применяются заглушки (рис. 28, а).

Рис. 28. Поршневой палец с заглушками: а – поршневой палец с двумя заглушками; 6 – поршневой палец с одной заглушкой; 1 – поршневой палец; 2 – заглушка.

Заглушки выполняются из мягкого металла – меди или алюминия. Это делается для того, чтобы как можно меньше изнашивались стенки цилиндра, на которые опираются заглушки, так как истирание цилиндра заглушками нарушит его цилиндрическую поверхность, что приведет к большему прорыву газов в картер.

На рис. 28, б показана установка заглушки в поршневом пальце двигателя мотоцикла Л-300. Заглушки вставлены в палец и закреплены в нем шпилькой. Грибок заглушки выступает за поверхность пальца и опирается на плоскость бобышки. Таким образом, перемещение пальца в одну сторону ограничивается упором грибка заглушки в стенку цилиндра, а в другую – упором выступающей части грибка заглушки в поверхность бобышки. Радиус грибка бобышки несколько меньше, чем радиус стенки цилиндра. Это обеспечивает наличие клиновидного зазора между заглушкой и стенкой цилиндра, что облегчает создание масляной пленки между ними.

Заглушки увеличивают жесткость пальца, но вместе с тем они увеличивают его общий вес, что для быстроходных мотоциклетных двигателей нежелательно.

Поршневые кольца

Поршневые кольца, устанавливаемые в кольцевых канавках поршня, выполняются из чугуна и служат для создания уплотнения между поршнем и цилиндром и для сбора избыточного масла с зеркала цилиндра. Поэтому поршневые кольца делятся на компрессионные и маслосъемные.

Компрессионные кольца (рис. 29) устанавливаются в верхних канавках поршня и имеют обычно прямоугольное сечение.

Рис. 29. Поршневые кольца: а – с косым замком; б – с прямым замком; в – со ступенчатым замком.

Уплотнение зазора между поршнем и цилиндром осуществляется за счет собственной упругости кольца, которое прижимается к цилиндру с усилием 0,5–1 кг/см². Кроме того, уплотнению способствуют газы, проникающие через зазор к тыльной части кольца и прижимающие его к зеркалу цилиндра с усилием до 30 кг/см². Компрессионные кольца размещены в канавках с зазором от 0,05 до 0,1 мм. Зазор между тыльной частью кольца и днищем кольцевой канавки в рабочем состоянии достигает 0,4–0,6 мм, в результате чего поршень не опирается на тыльную поверхность кольца.

На рис. 30 представлены различные формы маслосъемных колец.

Рис. 30. Маслосъемные кольца: а – со сквозными шлицами; б – со сквозными шлицами и канавкой; в – с отверстиями и канавкой.

Во всех случаях на поверхности маслосъемных колец имеются отверстия, выполненные иногда в виде сквозных шлицев (рис. 30, а). Кроме сквозных шлицев, на поверхности кольца иногда делается кольцевая канавка (рис. 30, 6), при наличии которой увеличивается возможность отвода масла к шлицам и через них в кольцевую канавку. На маслосъемных кольцах некоторых типов имеется канавка, в которой вместо сквозных шлицев выполнены сквозные отверстия (рис. 30, в). Масло, снимаемое маслосъемными кольцами, проходит через эти отверстия (шлицы) в кольцевую канавку, откуда отводится через дренажные отверстия внутрь поршня. На некоторых поршнях под канавкой маслосъемного кольца делается выточка с отверстиями, через которые масло, снимаемое кольцом с зеркала цилиндра, также отводится внутрь поршня.

В процессе работы двигателя кольца подвергаются воздействию газов, имеющих высокую температуру. Наружная поверхность кольца постоянно скользит по поверхности зеркала цилиндра, многократно изменяя свою скорость от 0 до 15–20 м/сек.

Поршневые кольца должны отвечать следующим требованиям: плотно прилегать к цилиндру, оказывать на стенки цилиндра равномерное удельное давление по всей окружности, быть долговечными и почти не изменять свою упругость в процессе работы.

Все эти требования должны быть соблюдены в процессе производства, но сохранение упругости и долговечность кольца во многом зависят также от режима работы двигателя; перегрев двигателя, применение несоответствующей смазки, конденсация горючего на стенках цилиндра сильно уменьшают срок службы колец.

Наиболее часто встречающимся дефектом колец является их коксование, когда масло поступает в зазоры между перегретым кольцом и канавкой поршня и там коксуется. Коксованию в большей степени подвержены верхние кольца, температура которых доходит до 300–350 °C.

Для надевания на поршень в кольце сделан поперечный разрез, который называется замком кольца. Форма замка бывает различной, но в основном для мотоциклетных двигателей применяются замки трех типов: косые, прямые и ступенчатые (рис. 29).

Косым замком называется такой, при котором кольцо имеет разрез под углом 45°. Кольца с прямым замком имеют разрез по образующей.

Для двухтактных мотоциклетных двигателей, например для двигателя мотоцикла К1Б, часто применяются кольца со ступенчатым замком, причем ступень у них служит для упора в штифт, предохраняющий кольцо от проворачивания. Двигатели мотоциклов ИЖ-350 и М1А опираются на штифт боковыми гранями углублений, выполненных на внутренних стенках колец у стыка. Зазор в замке должен быть выполнен таким, чтобы при любой высокой температуре в замке всегда имелся некоторый минимальный зазор. Если у кольца в процессе работы двигателя за счет теплового расширения выберется весь зазор, то кольцо настолько плотно прижмется к зеркалу цилиндра, что движение его будет затруднено.

На практике величина зазора холодного кольца устанавливается обычно в зависимости от диаметра цилиндра и достигает 0,0006-0,0015 диаметра цилиндра.

Для уменьшения утечки газов через замки последние располагают таким образом, чтобы удлинить путь газов, т. е. замки соседних колец располагают один от другого под углом 120° (для трех колец) или 180° (для двух колец).

Износ поршневых колец приводит к увеличению расхода масла. Это вызывается увеличением количества масла, перетекающего через неплотность между кольцами и стенкой цилиндра, а также насосным действием колец, которое сказывается все в большей степени по мере их износа.

Рассмотрим насосное действие поршневых колец. При движении поршня вниз кольца за счет трения о зеркало цилиндра прижимаются к верхней стенке кольцевой канавки. Масло, собираемое кольцами, поступает в зазор между нижней частью кольца и стенкой канавки и заполняет зазор между днищем канавки и тыльной стороной кольца.

При движении поршня вверх кольцо прижимается к нижней стенке кольцевой канавки. Часть млела из нижнего зазора выталкивается в тыльный зазор и оттуда в верхний зазор. При новом движении поршня вниз масло из верхнего зазора перетекает в зазор между поршнем и цилиндром и т. д. Таким образом, масло постепенно перекачивается в рабочую полость цилиндра.

Насосное действие, особенно заметное у изношенных колец, характеризуется наличием большого количества белого дыма при выхлопе.

На мотоциклетных двигателях поршневых колец обычно три: два компрессионных и одно маслосъемное. На быстроходных двигателях иногда число колец уменьшают до двух: одного компрессионного и другого маслосъемного. Уменьшение числа колец снижает потери на трение, так как у быстроходных двигателей сжатие и рабочий ход продолжаются недолго и утечка газов через неплотности в кольцах поэтому незначительна.