Цилиндропоршневая пара

Цилиндропоршневая пара является одним из наиболее нагруженных узлов силовой установки. В среднем поршень в цилиндре за 1 с совершает около 20-25 двойных ходов, причем половина из них являются нагруженными (ход сжатия и рабочий ход). Так, в карбюраторных ДВС в начале рабочего хода давление в цилиндре над поршнем карбюраторного ДВС составляет около 5 МПА (50 бар), а в высокофорсированных дизелях - до 14 МПа (140 бар). Во время хода сжатия эти давления равны соответственно 0,8-1,5 и до 5 МПа (8-15 и 50 бар). Следует также учесть, что температура газа в камере сжатия ДВС достигает во время рабочего хода 2000 ОС и более.

С точки зрения ресурса работы в отношении данного узла следует рассматривать следующие процессы:

1. Трение боковой поверхности поршня о стенку цилиндра и их обоюдный износ.

2. Взаимодействие поршневых колец с канавками в теле поршня и со стенкой цилиндра.

Для анализа первого процесса следует указать, что он целиком определяется давлением газов, которые прижимают поршень к поверхности гильзы цилиндра, и геометрическим соотношением кривошипно-шатунного механизма (рис. 1).

Давление Р газов над поршнем - величина переменная, давление картерных газов FК близко к постоянному при нормально работающем сапуне и примерно равно атмосферному (чуть выше на величину гидравлического сопротивления сапуна). В том случае, если выход сапуна соединен с впускным коллектором, можно принять FК равным атмосферному, так как излишнее давление картера «отсасывается» во впускной трубопровод.

В связи с тем, что в процессе впуска Р становится ниже атмосферного давления, поршневая сила является не только переменной по величине, но и по направлению. Поэтому изменяется не только величина, но и направление силы FБОК.

Тем не менее в процессе впуска она невелика, так как весьма мал перепад давления на поршне, и в отношении трения и износа сопряжения цилиндр-поршень следует рассматривать в основном перемещение поршня на ходе сжатия и в течение рабочего хода. При этом трение поршня о стенки гильзы цилиндра происходит то на одной, то на другой стороне внутренней поверхности гильзы, причем та сторона, по которой трение осуществляется во время рабочего хода, изнашивается сильнее в связи с большими силами давления в контакте (сила FБОК), что схематично изображено на рис. 2.

цилиндропоршневой двигатель сгорание

Таким образом, в процессе работы цилиндропоршневой пары происходит неравномерный износ цилиндра. Очевидно, что аналогичная, но обратная, картина наблюдается при износе поршня. Следует отметить, что в процессе износа поверхности гильзы цилиндра участвует также кольцевое уплотнение, и поэтому максимальный износ цилиндра наблюдается в зоне действия наиболее нагруженного первого уплотнительного кольца.

В свою очередь также происходит износ и поршневых уплотнительных и маслосъемных колец, которые размещены в канавках головки поршня, а также износ и деформация самих канавок.

Для обеспечения уплотнительного эффекта высота кольца несколько меньше высоты выточки в теле поршня (на сотые доли миллиметра). Это необходимо для прохода уплотняемых газов к внутренней части кольца с целью его прижатия к поверхности гильзы цилиндра (рис. 3).

Давление над кольцевым уплотнением Pj и под кольцевым уплотнением Pj+1 для нового неизношенного уплотнения определяется из уравнения

, (1)

где Рi - давление над поршнем в i-й момент времени, j - номер кольца, считая от верхнего донышка поршня, kj = 1,0 при Z  4; 1,35 при Z = 3; 2 при Z = 2 (Z - общее число уплотнительных поршневых колец).

В начальной стадии работы пары происходит приработка поверхностей поршня, колец и цилиндра. В это время наблюдается пластическая информация контактирующих шероховатых поверхностей, и фактическая площадь контакта может быть определена по формулам:

где сS и S - коэффициент упрочнения и предел текучести материала кольца, b - коэффициент, учитывающий напряженное состояние в зоне контакта и особенности взаимодействия поверхностей (при скольжении b = 0,5 и для неподвижного контакта b = 1), НВ - твердость по Бринеллю, Wj - усилие, действующее на кольцо в направлении контакта с зеркалом цилиндра, с учетом сопротивления газостатического слоя, возникающего при течении уплотняемых газов через микрозазор δ между рабочей поверхностью кольца и зеркалом цилиндра, выражается зависимостями:

 (3)

 (4)

где АН - номинальная площадь контакта (наружная цилиндрическая поверхность кольца простого прямоугольного сечения), АНВ - площадь внутренней поверхности кольца простого прямоугольного сечения (в первом приближении можно принять АН = АНВ), Pj(ср) - усилие, действующее со стороны наружной поверхности кольца, Pyj - усилие экспандера.

После приработки колец по зеркалу цилиндра, в результате многократного нагружения контакта возникают условия для преимущественно упругого контакта. В этом случае при расчете фактического давления между двумя трущимися шероховатыми поверхностями можно допустить, что они имеют одинаковый микрорельеф, поскольку на рабочей поверхности цилиндра, изготовленного из менее твердого по сравнению с кольцом материала, будет воспроизводиться микрорельеф, близкий по своим характеристикам к микрорельефу поверхности кольца. Тогда для определения фактического давления Pryj при упругом контакте двух поверхностей, имеющих одинаковые параметры шероховатости:

 (5)

где  - функция, описывающая зависимость контурного давления от хода поршня, Ra и rШ - среднеарифметическое отклонение профиля микронеровностей поверхности зеркала цилиндра и радиус закругления, П1,2 и Е1,2 - коэффициенты Пуассона и модули упругости материалов поршневого кольца и гильзы цилиндра.

Учитывая, что после приработки колец и зеркала цилиндра макроискажения в зоне контакта становятся пренебрежимо малыми, можем записать равенство

 (6)

Поскольку величину АФ при упругом контакте определяют как произведение числа пятен контакта на их площадь, будет справедливо следующее выражение:

 (7)

Теперь можно записать уравнение для определения усилия, действующего в направлении упругого контакта:

 (8)

Принимая во внимание вышеизложенное, определение величины Wj можно производить путем решения следующего нелинейного алгебраического уравнения:

 (9)

При реализации на ЭВМ это уравнение удобно решать методом половинного деления.

Анализ этого уравнения показывает следующее:

1. Сила прижатия наружной поверхности кольца к цилиндру возрастает с увеличением сил его упругости и силы, передаваемой экспандером (при его наличии). В связи с этим, с одной стороны, с точки зрения износа, эти силы необходимо уменьшать, а с другой стороны - слишком малые усилия могут привести к снижению уплотняющей способности кольца и прорыву уплотняемых газов, который может привести к загоранию материала кольца.

2. Силы трения между кольцом и зеркалом цилиндра существенно зависят от усилия со стороны зазора между кольцом и зеркалом цилиндра Pj(ср) . Чем больше это усилие, тем с меньшей силой кольцо прижимается к цилиндру, тем меньше износ и хуже уплотняющая способность кольца.

3. На параметры трения в кольцевом уплотнении значительное влияние оказывают характеристики материалов и поверхностей трения уплотнения.

Износ поршней происходит по кольцевым канавкам, юбке и отверстиям под палец в бобышках. Монометаллические поршни из алюминиевых сплавов чаще всего выходят из строя по износу двух верхних канавок. Кроме того, боковые поверхности поршней повреждаются при плохой смазке и использовании некачественных масел или при плохой работе системы очистки масла. Эти повреждения проявляются как задиры и усталостно-коррозионные трещины. При грубом нарушении режима работы ДВС головка алюминиевого поршня может вообще прогореть.

При работе двигателя кольца совершают в канавках радиальные перемещения и перемещения вдоль оси поршня, причем, чем больше износ цилиндропоршневой пары, тем эти перемещения значительнее.

Радиальные перемещения кольца относительно тела поршня связаны в основном с колебаниями поршня в поперечном направлении (перекладка поршня) при изменении угла наклона шатуна (рис. 4). Кольцо под действием сил упругости и давления газов в большей или меньшей степени прижато к поверхности гильзы цилиндра, то есть относительно оси цилиндра практически неподвижно, в то время как поршень в соответствии с фазой его работы перемещается от одной стенки цилиндра к другой, то есть перемещается относительно оси цилиндра.

При этом остающееся неподвижным в радиальном направлении кольцо совершает перемещение в канавке, будучи прижатой к ее нижней поверхности, в результате чего наблюдается износ менее твердой поверхности по типу фреттинг-процесса.

Очевидно, что чем больше зазор между поршнем и цилиндром, тем с большей амплитудой перемещается кольцо и тем более заметны негативные результаты процесса износа.

Кроме радиального кольца совершают осевое перемещение в канавках в пределах разности между толщиной колец и шириной канавки. В неизношенном уплотнении это перемещение составляет сотые доли миллиметра.

Однако оно имеет ударный характер, происходит при температуре порядка 200-250 ОС и в сочетании с радиальными перемещениями приводит к смятию материала алюминиевого поршня, искажению формы канавки, увеличению ее размера и ухудшению работы кольцевого уплотнения.

Контрольные вопросы к разделу

1.   Почему цилиндропоршневая пара является одним из наиболее нагруженных узлов ДВС?

2.       Какие поверхности цилиндропоршневого узла имеют наибольший износ и почему?

.        Почему зеркало цилиндра изнашивается неравномерно?

.        Почему высота выточки в поршне изготавливается чуть больше высоты кольца с образованием некоторого зазора и что произойдет, если высота кольца окажется равной высоте выточки, в которую оно монтируется?

.        Какой тип деформации рабочей поверхности кольца происходит при первичной приработке и какой - после приработки?

.        Как определяется площадь фактического контакта между прижатыми шероховатыми поверхностями и чем она отличается от номинальной площади контакта?

.        К чему приводит увеличение усилие прижатия кольца к зеркалу цилиндра?

.        По каким поверхностям происходит износ поршня?

.        С чем в основном связан износ кольцевых канавок и какой характер он имеет в новом и изношенном уплотнении?