По́ршень — деталь цилиндрической формы, совершающая возвратно-поступательное движение внутри цилиндра и служащая для превращения изменения давления газа, пара или жидкости в механическую работу, или наоборот — возвратно-поступательного движения в изменение давления. В поршневом механизме, в отличие от плунжерного, уплотнение располагается на цилиндрической поверхности поршня, обычно в виде одного или нескольких поршневых колец.

Строение

Поршень подразделяется на три части, выполняющие различные функции

• днище
• уплотняющая часть
• направляющая часть (юбка)

Для передачи усилия от поршня (или наоборот) может использоваться шток, либо кривошип, который соединяется с поршнем с помощью пальца. Другие способы передачи усилия используются реже. В некоторых случаях шток может играть роль направляющего устройства, в этом случае юбка не нужна.

Поршень может быть односторонним или двухсторонним. В последнем случае поршень имеет два днища.

Днище

Форма днища зависит от выполняемой поршнем функции. К примеру, в двигателях внутреннего сгорания форма зависит от расположения свечей, форсунок, клапанов, конструкции двигателя и других факторов. При вогнутой форме днища образуется наиболее рациональная камера сгорания, но в ней более интенсивно происходит отложение нагара. При выпуклой форме днища увеличивается прочность поршня, но ухудшается форма камеры сгорания. В некоторых двухтактных двигателях днище поршня выполняется в виде выступа-отражателя для направленного движения продуктов сгорания при продувке. Расстояние от днища поршня до канавки первого компрессионного кольца называют огневым поясом поршня. В зависимости от материала, из которого сделан поршень, огневой пояс имеет минимально допустимую высоту, уменьшение которой может привести к прогару поршня вдоль наружной стенки, а также разрушению посадочного места верхнего компрессионного кольца.

Функции уплотнения, выполняемые поршневой группой, имеют большое значение для нормальной работы поршневых двигателей. О техническом состоянии двигателя судят по уплотняющей способности поршневой группы. Например, в автомобильных двигателях не допускается, чтобы расход масла из-за угара его вследствие избыточного проникновения (подсоса) в камеру сгорания превышал 3% от расхода топлива. При выгорании масла наблюдается повышенная дымность отработавших газов и двигатели снимаются с эксплуатации вне зависимости от удовлетворительности мощностных и других его показателей. [1]

Уплотняющая часть

Днище и уплотняющая часть образуют головку поршня. В уплотняющей части поршня располагаются компрессионные и маслосъёмные кольца. В некоторых конструкциях поршней из алюминиевых сплавов в его головку залит ободок из коррозионностойкого чугуна (нирезиста), в котором прорезана канавка для верхнего наиболее нагруженного компрессионного кольца. Нирезистовую вставку под верхнее поршневое кольцо имеют, в частности, поршни двигателей, выпускаемых ТМЗ (Тутаевский моторный завод). Благодаря этому значительно увеличивается износостойкость поршня. Кольцевые каналы для маслосъемных колец выполняются со сквозными отверстиями, через которые масло, снятое с зеркала цилиндра, поступает внутрь поршня и стекает в поддон картера двигателя.

Направляющая часть

Юбка поршня (тронк) является его направляющей частью при движении в цилиндре и имеет два прилива (бобышки) для установки поршневого пальца. Так как масса поршня у приливов оказывается большей, чем в других частях юбки, температурные деформации при нагреве в плоскости бобышек также будут наибольшими. Для снижения температурных напряжений поршня с двух сторон, где расположены бобышки, с поверхности юбки, удаляют металл на глубину 0,5-1,5 мм. Эти углубления, улучшающие смазывание поршня в цилиндре и препятствующие образованию задиров от температурных деформаций, называются «холодильниками». В нижней части юбки также может располагаться маслосъемное кольцо.

Материалы

К материалам, применяемым для изготовления поршней автотракторных двигателей, предъявляются следующие требования:

• высокая механическая прочность;
• малая плотность;
• хорошая теплопроводность;
• малый коэффициент линейного расширения;
• высокая коррозионная стойкость;
• хорошие антифрикционные свойства.

Для изготовления поршней применяются серые чугуны и алюминиевые сплавы.

Чугун

Достоинства

• Поршни из чугуна прочны и износостойки.
• Благодаря небольшому коэффициенту линейного расширения они могут работать с относительно малыми зазорами, обеспечивая хорошее уплотнение цилиндра.

Недостатки

• Чугун имеет довольно большой удельный вес. В связи с этим область применения чугунных поршней ограничивается сравнительно тихоходными двигателями, в которых силы инерции возвратно движущихся масс не превосходят одной шестой от силы давления газов на днище поршня.
• Чугун имеет низкую теплопроводность, поэтому нагрев днища у чугунных поршней достигает 350—400 °C. Такой нагрев нежелателен особенно в карбюраторных двигателях, так как он служит причиной возникновения калильного зажигания.

Алюминий

Подавляющее большинство современных автомобильных двигателей имеют алюминиевые поршни.

Достоинства

Достоинства алюминиевых поршней:

• малая масса (как минимум на 30 % меньше по сравнению с чугунными);
• высокая теплопроводность (в 3-4 раза выше теплопроводности чугуна), обеспечивающая нагрев днища поршня не более 250 °C, что способствует лучшему наполнению цилиндров и позволяет повысить степень сжатия в бензиновых двигателях;
• хорошие антифрикционные свойства.

Недостатки

Недостатками алюминиевых поршней являются:

• большой коэффициент линейного расширения (примерно в 2 раза больше, чем у чугуна),
• значительное снижение механической прочности при нагреве (повышение температуры до 300 °C приводит к снижению механической прочности алюминия на 50-55 % против 10 % у чугуна).

Недопустимые для нормальной работы двигателя зазоры между стенками цилиндров и алюминиевыми поршнями устраняются конструктивными мероприятиями, основными из которых являются:

• придание юбке поршня овальной или овально-конусной формы;
• изоляция тронковой (направляющей) части поршня от наиболее нагретой его части (головки);
• косой разрез юбки по всей длине, обеспечивающий пружинящие свойства стенок;
• Т- и П-образные прорези в юбке поршня не на полную её длину в сочетании с её овальностью;
• компенсационные вставки, ограничивающие тепловое расширение юбки в плоскости качания шатуна.

Применение

Две основные проблемы, решаемые при проектировании моторов:

1. как избежать повышенного износа поршня,
2. как избежать прогара поршня.

Обе эти проблемы возникают вследствие желания конструкторов максимально облегчить поршень, поскольку это позволяет улучшить показатели моторов и компрессоров.

См. также

• Плунжер
• Поршневой двигатель внутреннего сгорания
• Поршневой двигатель внешнего сгорания

Ссылки

Примечания