Устройство автомобилей





Поршневые кольца



Назначение поршневых колец и требования к ним

Рассматривая требования к поршневой группе в предыдущей статье, мы упоминали, что зазор между поршнем и цилиндром должен быть минимальным, чтобы исключить прорыв газов из рабочей полости (камеры сгорания) и не допустить попадание в нее моторного масла. И, поскольку этот зазор лимитируется тепловым расширением поршня, мы пришли к выводу, что должной герметизации рабочей полости цилиндра одним лишь уменьшением зазора между поршнем и стенками цилиндра достичь невозможно – возрастает вероятность заклинивания поршня из-за температурного расширения.
поршневые кольца Чтобы достичь оптимальной герметизации камеры сгорания, конструкторы ввели в поршневую группу очень важный элемент – поршневые кольца.

Поршневые кольца являются упругими элементами уплотнения поршневой группы, обеспечивающими:

  • герметичность рабочей полости цилиндра;
  • отвод теплоты от головки поршня;
  • предотвращения перекачки лишнего смазочного материала в камеру сгорания.

Конструкция и техническое состояние поршневых колец определяют компрессию в цилиндре и расход масла на угар. При этом под компрессией понимается процесс сжатия газа в цилиндрах двигателя при увеличении его давления и температуры.

Одно и то же поршневое кольцо не может одновременно выполнять две важные функции – предотвращать прорыв газов из рабочего объема цилиндра и не допускать попадания в этот объем моторного масла, используемого для смазывания поверхностей трения между цилиндром (гильзой) и поршнем. Поэтому в двигателях применяется два типа поршневых колец – компрессионные (уплотняющие) и маслосъемные.

***

Компрессионные поршневые кольца

Компрессионное (уплотняющее) поршневое кольцо представляет собой криволинейный упругий брус, имеющий относительно большой вырез (замок) S (см. рис. 1) в свободном состоянии. При монтаже в цилиндр кольцо сжимается и благодаря своей упругости плотно прилегает к стенкам цилиндра, обеспечивая надежное уплотнение зазора между поверхностями поршня и цилиндра.
Величина усилия прилегания кольца к поверхности цилиндра определяется отношением диаметра кольца в сжатом состоянии по внешней поверхности к толщине кольца. Чем меньше это отношение, тем больше упругость кольца и качественнее уплотнение рабочей полости цилиндра.

Поскольку концы поршневого кольца разжимаются под воздействием давления внутри цилиндра на торцы стыка (замка), это приводит к разрыву смазывающей масляной пленки прорывающимися из рабочей полости газами и увеличению сил трения в зоне замка.
размеры поршневых колец С целью сохранения уплотняющего действия применяют поршневые кольца с корректированной эпюрой усилий или с расширителями различной конструкции, относительно равномерно распределяющими нагрузку на стенки цилиндра со стороны поршневого кольца.

При износе поршневого кольца и уменьшении его толщины радиальное давление от силы упругости кольца понижается и перераспределяется по его окружности. При чрезмерном износе кольца нарушается его контакт с поверхностью гильзы, в первую очередь в зоне замка.
Форма изношенного кольца зависит от первоначальной эпюры его давлений на поверхность цилиндра. Кольца с равномерной эпюрой давлений имеют меньшие сроки службы, чем кольца с корректированной эпюрой давлений.

По этой причине, для повышения срока службы и устойчивости против вибраций кольца чаще всего изготовляют с неравномерным (корректированным) давлением по окружности, увеличивающимся в зоне замка. Это достигается разной толщиной кольца по его длине – в зоне стыка (замка) кольцо изготавливают тоньше, благодаря чему давление на цилиндр уменьшается. При износе колец с корректированной эпюрой давление в зоне замка уменьшается и перераспределяется на соседние участки. Поэтому продолжительность работы такого кольца до момента потери надежного контакта его с цилиндром (гильзой) возрастает.

Поршневые компрессионные кольца могут выполняться цельными или составными. Составные кольца представляют собой набор из трех-четырех конических пластин, изготовленных навивкой на ребро из стальной ленты. Они устанавливаются в кольцевую канавку с осевым натягом и хорошо обеспечивают торцевое уплотнение.
Такие кольца отличаются большим радиальным усилием и хорошо прирабатываются к поверхности цилиндра.
Недостатком составных колец является плохая теплопроводность, поэтому их нельзя использовать в качестве верхних компрессионных колец.

Для ускорения приработки поршневых колец к рабочей поверхности цилиндра их покрывают мягкими сплавами и уменьшают площадь контакта нового кольца с поверхностью цилиндра (гильзы). Для этого применяют:

  • конические («минутные) кольца с углом наклона образующей 15'…30’;
  • торсионные кольца;
  • кольца с круговыми канавками по наружной поверхности.

Конические («минутные») кольца (рис. 2,б) отличаются повышенным усилием со стороны нижней кромки на стенку цилиндра, в результате чего она интенсивно изнашивается в первые часы работы двигателя, при этом процесс приработки ускоряется.

типы компрессионных поршневых колец

Торсионные (скручивающиеся) кольца (рис. 2, г, д, к) при сжатии деформируются в верхней части сечения в большей степени, чем в нижней. При этом нижняя часть кольца становится конусной (как в «минутных» кольцах) и быстро прирабатывается к стенке цилиндра. Однако такие кольца плохо контактируют со стенками канавки, что затрудняет теплообмен через них между головкой поршня и стенкой цилиндра.

Под воздействием сил трения и давления газов тонкие поршневые кольца прогибаются и выворачиваются, при этом их острые кромки могут вызвать задиры на рабочей поверхности цилиндра (гильзы). Чтобы избежать этого неприятного явления, кольцам придают бочкообразную форму (рис. 2, в).




Для уменьшения пригорания колец иногда применяют трапециевидные кольца (рис. 2, е, ж). Работа таких колец основана на том, что при изменении направления действия бокового усилия трапециевидное кольцо перемещается по канавке и, устанавливаясь в ней, выжимает смазочный материал из торцевых зазоров, что препятствует образованию смолистых отложений и коксованию.

Наиболее просты в изготовлении и обладают хорошим теплоотводом кольца с прямоугольным поперечным сечением (рис. 2, а). Однако приработка таких колец к зеркалу цилиндра затруднена.

Компрессионные кольца отличаются отрицательным насосным действием, которое приводит к перекачке масла со стенок цилиндров в камеру сгорания. При попадании масла в рабочую полость цилиндра оно сгорает и образует нагар на днище и в канавках поршня, на стенках цилиндра и на свече зажигания. Для удаления моторного масла со стенок цилиндра применяют маслосъемные кольца.

***

Маслосъемные поршневые кольца

Маслосъемные кольца могут быть цельными и составными, чугунными и стальными. Для того, чтобы кольцо не всплывало в масле, его площадь контакта с поверхностью цилиндра увеличивается узкими кольцевыми поясами. Сечения цельных маслосъемных колец показаны на рис. 3.

типы маслосъемных поршневых колец

Широкое применение нашли составные маслосъемные кольца. Они состоят из двух витых стальных колец (рис. 3) и расширителей, обеспечивающих как радиальное усилие на стенку цилиндра, так и прижатие колец к торцевым поверхностям поршневых канавок. В связи с этим различают радиальные и осевые расширители поршневых маслосъемных колец, которые обычно изготавливаются из стальных гофрированных лент.

Существуют кольца, у которых функции осевого и радиального расширителя выполняет один элемент, обладающий упругостью, как в осевом, так и в радиальном направлении (рис. 3, д). Такие расширители называют тангенциальными.

Составные маслосъемные кольца, обладающие высокой гибкостью, относительной подвижностью и высоким радиальным усилием, значительно эффективнее, чем цельные чугунные, приспосабливаются к поверхности цилиндра.

***

Поршневые пальцы