Поршні, поршневі кільця і пальці, шатуни.
План

1.     Поршень.

2.     Поршневі кільця.

3.     Поршневі пальці.

4.     Шатуни.

1.           Поршень сприймає тиск газів і передає його через поршневий палець і шатун на колінчастий вал. Працює поршень у дуже несприятливих умовах. Наприклад, у дизельному двигуні на поршень діаметром 145 мм на початку робочого ходу при середньому тиску в циліндрі 70—80 кгс/см² діє сила 11,5—13,0 тс, а температура в процесі згоряння становить 1800—2000° С. Крім того, поршень у двигуні рухається    нерівномірно навіть при сталих обертах колінчастого вала, внаслідок чого виникають сили інерції, які додатково навантажують не тільки поршень, а й інші деталі кривошипно-шатунного механізму. Величина сили інерції залежить від маси поршня і числа обертів колінчастого вала: при збільшенні їх збільшується і сила інерції.

   У сучасних тракторних двигунах поршень у циліндрі рухається з швидкістю 7—10 м/с, внаслідок чого втрати на тертя поршнів і поршневих кілець об стінки циліндра становлять майже 75% всієї роботи, що затрачається на тертя у двигуні. У зв'язку з цим поршень повинен мати високу міцність, повинен бути легким, стійким проти спрацювання, добре відводити тепло.

    Необхідну міцність поршня забезпечують наданням йому раціональної конструктивної форми, а також застосуванням відповідних матеріалів для його виготовлення. Поршні тракторних двигунів виготовляють з алюмінієвих сплавів АЛ25, АЛ10В тощо.

   Основним недоліком поршнів з алюмінієвих сплавів є те, що вони мають коефіцієнт лінійного розширення майже у два рази більший, ніж коефіцієнт лінійного розширення чавуну, а це зв'язане з необхідністю збільшення зазора між поршнем  і стінками циліндра.

   Поршень складається з днища 11  (рис. ІЗ), ущільнювальної частини (головки) 12 і напрямної частини (юбки) 14. Днище поршня сприймає тиск газів у процесі згоряння їх. Для надання днищу необхідної міцності, а також для кращого відведення тепла внутрішня поверхня має ребра жорсткості. На зовнішніх поверхнях днищ більшості дизельних двигунів зроблені виїмки різної форми, які сприяють кращому перемішуванню повітря з паливом, тому що повітря і паливо надходять у циліндр окремо. Крім того, на днищах поршнів деяких двигунів роблять плоскі виточки 1 і 15, які усувають можливість  зіткнення клапанів з поршнем, коли він знаходиться у в. м. т.

   Головка поршня має потовщені бокові стінки, в яких проточені канавки 9 для компресійних кілець і канавки 5 і 8 для маслознімних кілець. В маслознімних кільцях і в канавках під ними просвердлено отвори, через які проходить масло, зняте маслознімними кільцями з дзеркала циліндра. Це масло надходить всередину поршня, а потім стікає в піддон картера.

   Поршень має два приливки (бобишки) 10 з отворами, які є підшипниками для поршневого пальця. У кожному отворі зроблено по одній канавці 6 для стопорних кілець поршневого пальця. Крім того, в кожній бобишці просвердлено по одному отвору 13 для підведення масла до поршневого пальця. Для кращого змащування гільзи і поршня, а також для видалення надлишку масла поверхня головки поршня (від днища до третього компресійного кільця) може бути хвиляста з різною шириною валиків (двигун ЯМЗ-238НБ). У зв'язку з тим, що головка поршня нагрівається більше, ніж напрямна частина, діаметр головки роблять дещо меншим (на 0,43 м у ЯМЗ-238НБ), ніж діаметр юбки.

Напрямна частина алюмінієвих поршнів має еліптичну форму (більша вісь еліпса повинна лежати в площині коливання шатуна). Це забезпечує більшу щільність посадки поршня і його роботу в холодному двигуні без стуку.

Рис. 13. Поршні дизельних двигунів СМД-14(а) 1 Д-108 (б):

 1 і 15 — виточки під клапани; 2 — виїмка у днищі поршня; 3 —поясок; 4 — отвір для відведення масла, знятого з дзеркала циліндра; 5 і 8 — канавки для маслознімних кілець; 6 — канавка для стопорних кілець; 7— отвір для поршневого пальця; 9— канавки для компресійних кілець; 10—бобишка; 11 — днище; 12 — ущільнювальна частина (головка); 13 — отвори для підведення масла до поршневого пальця; 14 — напрямна частина (юбка);  16 — камера  згоряння.

   Під час нагрівання юбка поршня більше розширюватиметься у напрямі осі поршневого пальця, внаслідок чого у прогрітому двигуні юбка поршня з овальної форми перетворюється майже у правильну циліндричну з однаковим зазором по всій поверхні. Різниця між великою і малою осями еліптичної юбки поршня знаходиться у межах 0,2—0,35 мм, а зазор по великій осі еліпса між юбкою поршня і гільзою становить 0,19—0,21 мм. Якщо юбка поршня має циліндричну форму, зазор між гільзою циліндрів і юбкою поршня становить 0,18—0,30 мм.

   Всередині поршня на нижній частині юбки є поясок 3, який збільшує жорсткість ущільнювальної частини поршня. Крім того, під час підгонки маси поршнів з поясків зрізують таку частину металу, щоб різниця у масі поршнів на одному двигуні не перевищувала встановленої норми. Ця різниця в масі для комплекту поршнів двигуна СМД-14 не повинна перевищувати 7 г. Гільзи циліндрів комплектують з поршнями двигуна СМД-14 за трьома розмірними групами, позначеними літерами М, С і Б.

 Ці позначення груп проставляють на днищі поршня і на торці бурта гільзи. Поршні за величиною діаметра отвору в бобишках поділяються на дві групи. Позначення груп проставляють білою або жовтою фарбою на бобишках поршня. Встановлювані у двигун поршні і циліндри повинні бути тільки однієї групи.

2.          Поршневі кільця за призначенням поділяються на компресійні й маслознімні (рис. 14). Виготовляють кільця з легованого чавуну.

   Компресійні кільця призначені для ущільнення зазора між стінкою циліндра і поршнем. Вони перешкоджають проникненню повітря і газів з надпоршневого простору циліндра в картер. Одночасно компресійні кільця відводять тепло від головки поршня до стінок циліндра.

   Кількість компресійних кілець на поршні залежить від типу двигуна й числа обертів колінчастого вала. Поршні дизельних двигунів у зв'язку з великим тиском у камері згоряння мають більше компресійних кілець, ніж поршні карбюраторних двигунів такої самої оборотності. Двигуни з більшою швидкістю обертання колінчастого вала мають менше кілець, ніж двигуни з меншою швидкістю обертання вала. Це пояснюється тим, що при збільшенні числа обертів колінчастого вала скорочується тривалість ходу поршня, а отже, зменшує ться витікання газів.

Рис. 14. Поршневі кільця:

 а — компресійні з косим і прямим замком; б — маслознімне кільце; 1 — замок; 2 — канавка; З — проріз.

   Для забезпечення тривалого щільного прилягання кільця до стінки циліндра його виготовляють так, що питомий тиск по всьому колу розподіляється нерівномірно. Найбільший тиск припадає на кінці вирізної частини кільця, яка називається замком. Форма такого кільця у вільному стані, коли кільце не встановлене в циліндр, дещо відхиляється від форми кола, але при встановленні в циліндр кільце набирає правильної циліндричної форми.

   Форма замка у кілець може бути пряма або коса. Найбільш поширені кільця з прямим замком, тому що вони простіші у виготовленні і забезпечують високу герметичність.  Для того щоб кільця під час нагрівання в циліндрі могло вільно розширюватись у замку роблять зазор, величина якого за лежить від розташування кілець на головці поршня. Перше від днища компресійне кільце нагрівається найбільше, а тому величина зазора у замку цього кільця повинна бути більша порівняно з зазором у нижніх кільцях. Так, на двигун ЯМЗ-238НБ зазор у замку першого компресійного кільця становить 0,24—0,26, другого 0,18—0,20, третього 0,16—0,18 мм.

  Для зменшення прориву газів через замки кільця під час вставляння у канавки головки поршня треба розміщувати так щоб замки були зміщені один відносно одного на 180° при наявності двох кілець і на 120° — при наявності трьох кілець.

   Висота компресійного кільця дещо менша від висоти поршневої канавки (зазор становить 0,01—0,14 мм). Такий зазор потрібний для того, щоб кільця могли легко пружинити і під дією власної маси вільно переміщатись канавках.

Рис. 15. Схема ущільнювальної дії компресійних кілець:

 1—компресійні кільця; 2 — гільза циліндра; 3 — головка блока циліндра; 4 — камера згоряння; 5 — поршень.

  Коли двигун працює, під час тактів стиску й розширення невелика кількість газів з надпоршневого простору проникає в зазор між циліндричною поверхнею поршня і стінкою гільзи в простір, утворений у канавці першою компресійного кільця, і притискує кільце до нижньої стінки канавки (рис. 15). Гази майже з таким тиском, як і в камері згоряння, тиснуть і на внутрішню циліндричну поверхню кільця і притискують кільце до стінки циліндра. Отже, верхнє компресійне кільце створює тиск на стінку циліндра не тільки за рахунок власної пружності, а й за рахунок тиску газів під кільцем. Прорив газів до другого компресійного кільця ускладнюється тим, що перше кільце має щільний контакт як із стінкою циліндрів, так і з нижньою стінкою канавки поршня. Тому тиск газів під другим компресійним кільцем становитиме не більш як 8% тиску, що є в камері згоряння.

   У найважчих умовах працює верхнє компресійне кільце, тому що воно сприймає великий тиск газів, дуже нагрівається і має недостатнє мащення. Для підвищення стійкості проти спрацювання верхніх компресійних кілець, а також поліпшення умов їх мащення зовнішню циліндричну поверхню цих кілець піддають пористому хромуванню. Масло, що потрапляє в пори хрому, зменшує стирання і спрацювання не тільки кілець, а й гільз циліндрів.   У тракторних двигунах застосовують компресійні кільця (рис. 16) різної форми.

   Кільце з конусною поверхнею (рис. 16, б) у порівнянні з кільцем прямокутної форми (рис. 16, а) створює більший питомий тиск на стінку циліндра, а це прискорює його припрацювання до дзеркала циліндра і забезпечує кращі умови для розподілу масла. Під час руху поршня вгору ці кільця добре змащують поверхню циліндра, а коли поршень рухається вниз, вони знімають надлишок масла.

 Рис. 16. Форми поперечного перерізу компресійних кілець:

 а — прямокутна; б — конусна (Д-108; КДМ-100; Д-130); в —з виточкою на внутрішньому боці (Д-50; СМД-14); г — одностороння трапеція (АМ-01; АМ-41: ЯМЗ-238НБ); 1 — кільце; 2 — гільза циліндра; 3 — поршень.

У двигунах Д-108 і КДМ-100 верхнє компресійне кільце має прямокутну форму, а друге і третє кільця мають конусну зовнішню робочу поверхню. Для правильного встановлення їх на поршень на торці кілець біля замка зроблена мітка «Верх».

У вільному стані              у робочому стані

                  Напрям руху поршня

Р и с. 17. Схема роботи поршневих кілець:

 а — схема насосної дії компресійних кілець: б — схема роботи маслознімних кілець; 1 — компресійні кільця; 2 — гільза циліндра: З — поршень; 4 — маслознімне кільце; 5 — проріз у кільці; 6 і 7 — масловідвідні канали.         

   Незалежно від позитивних якостей конусних компресійних кілець вони не знайшли застосування на тракторних двигунах. Це пояснюється складністю виготовлення конусних кілець. Тому компресійні кільця часто виготовляють циліндричними, але зверху кільця по внутрішньому діаметру роблять виточку (рис. 16, в). Таке кільце під час роботи двигуна скручується під впливом тиску і прилягає до дзеркала циліндра не всією поверхнею, а тільки нижньою кромкою. Отже, кільця з верхньою односторонньою прямокутною виточкою працюють так, як і конусні, але трохи гірше переміщуються у вертикальному напрямі. Такі кільця треба правильно вставляти в канавки поршня — внутрішньою виточкою вгору. Встановлення кілець на поршень виточками вниз призводить до підвищення витрати масла.

   Компресійні кільця, що встановлюються на двигунах ЯМЗ-238НБ, АМ-01 і АМ-41, мають у поперечному перерізі форму односторонньої трапеції з кутом нахилу 10° у бік внутрішнього діаметра (рис. 16, г). Така форма кільця виключає можливість його зависання в канавці поршня навіть при наявності значного нагару. Друге і третє кільця цих двигунів на зовнішній циліндричній поверхні мають три кільцеві канавки глибиною 0,5 мм з кроком 1,4 мм. Така конструкція кільця скорочує тривалість його припрацювання, забезпечує краще ущільнення і мащення.

   Під час роботи двигуна на поверхні дзеркала гільз циліндрів утворюється над лишок масла і масло, якщо його не знімати, може потрапляти в камеру згоряння, згоряти там і утворювати шкідливий нагар на днищі поршня, внутрішній поверхні головки блока циліндра і стінках циліндра.         Надходження масла в надпоршневий простір у значній мірі залежить від насосної дії компресійних кілець (рис. 17, а). Коли поршень рухається від в. м. т. до н. м. т., під впливом сил інерції і тертя об стінку циліндра кільце притискується до верхньої стінки канавки і масло з стінки циліндра надходить у зазор між кільцем і нижньою стінкою канавки. Якщо ж поршень рухається від н. м. т. до в. м. т., кільце притискується до нижньої стінки канавки і видавлює масло через радіальний зазор у простір над кільцем. Внаслідок того, що ці процеси часто повторюються, деяка кількість масла все-таки потрапляє в камеру згоряння.

   Маслознімні кільця знімають масло з дзеркала циліндра й відводять його в піддон картера двигуна.

   Маслознімні кільця розташовані в канавках, проточених нижче канавок компресійних кілець, і конструктивно відрізняються від компресійних кілець тим, що на їхніх поверхнях є канавки 2 (рис. 14, б), за рахунок яких збільшується питомий тиск на стінку циліндра. На дні канавок поршня рівномірно по всьому колу розташовані масловідвідні канавки. Коли поршень рухається від в. м. т. до н. м. т. (рис. 17, б), надлишок масла знімається з дзеркала циліндра кромками кільця і через зазор між кільцем і нижньою стінкою канавки і проріз 5 у кільці 4, а потім через канал 6 у поршні спрямовується в піддон картера двигуна. Якщо у поршні виготовлений масловідвідний канал 7 під маслознімним кільцем, частина знятого масла надходить у піддон по цьому каналу.

 Такий само процес відведення масла з дзеркала циліндра в піддон картера двигуна здійснюється, коли поршень рухається від н. м. т. до в. м. т.

   Двигуни СМД-14, Д-50, Д-І08, Д-130, КДМ-100, АМ-01, АМ-41 і ЯМЗ-238НБ мають по два маслознімних кільця, одне з яких встановлене в головці поршня нижче компресійних кілець, а друге — на юбці поршня.    Маслознімні кільця встановлюють на поршень з такими самими зазорами в канавках і у замку, як і в компресійних кільцях.

Рис.  18. Закріплення поршневого пальця:

1 — шатун; 2—поршневий палець; З — поршень; 4 — стопорне кільце; 5 — втулка.

   Поршні двигунів Д-37М і Д-50 теж мають дві канавки для маслознімних кілець. У кожній канавці є два маслознімних кільця скребкового типу, які працюють незалежно одне від одного. Зазор по висоті для скребкових кілець становить 0,20—0,36 мм.

3.          Поршневий палець шарнірно з'єднує поршень з шатуном. Палець (рис. 18) — це коротка стальна товстостінна трубка, встановлена в бобишки поршня через верхню головку шатуна 1. Палець разом з поршнем здійснює прямолінійний зворотно-поступальний рух, тому для зменшення маси, а отже й сил інерції, його виготовляють порожнистим.

   Зовнішня поверхня пальця спрацьовується у верхній головці шатуна і в бобишках поршня. Для забезпечення необхідної міцності і стійкості проти спрацювання поршневі пальці двигунів СМД-14, АМ-01, АМ-41, ЯМЗ-238НБ виготовляють з маловуглецевої сталі і після механічної обробки піддають термічній обробці (цементації, гартуванню і відпусканню), внаслідок чого тертьова поверхня пальця стає твердою і стійкою проти спрацювання.

   Для зменшення тертя зовнішню поверхню пальця полірують.    Для того щоб палець не висовувався з бобишок поршня і не пошкоджував дзеркала циліндра, його переміщення в осьовому напрямі обмежують двома стопорнимипружинистими кільцями 4, встановленими у виточках бобишок поршня. При цьому способі кріплення поршневий палець може вільно обертатися як у верхній головці шатуна, так і в бобишках поршня і називається плаваючим. Таке кріплення поршневого пальця застосовується на двигунах СМД-14, Д-50, Д-108, КДМ-100, Д-37М, ЯМЗ-238 тощо.

   Під час роботи двигуна алюмінієвий поршень більше нагрівається, ніж стальний палець. Щоб не було стуків, палець виготовляють трохи більшого діаметра, ніж діаметр отворів у бобишках, а перед складанням поршень нагрівають у маслі до температури 80—90°; при цьому поршневий палець вільно входить в отвори бобишок поршня.

   Поршневий палець у бобишках змащується маслом, яке знімають маслознімні кільця, а також маслом, що його розбризкує колінчастий вал. Мащення поршневого    пальця у верхній головці шатуна може здійснюватись розбризкуванням через отвір, що є в головці шатуна (шатуни двигунів СМД-14, Д-50), або підведенням масла по каналу у стержні шатуна (двигуни Д-108, КДМ-100, ЯМЗ-238НБ) від шатунної шийки колінчастого вала.

   Поршневі пальці двигуна СМД-14 за величиною зовнішнього діаметра поділяють на дві групи. Позначення груп нанесені білою або жовтою фарбою на внутрішній поверхні пальця. Пальці двигуна ЯМЗ-238НБ поділяють на три розмірні групи (Б, ББ, БББ). Мітки груп нанесені на днищі поршня, фасці отвору пальця і на торці верхньої головки шатуна.

4.     Шатун з'єднує поршень з колінчастим валом і передає зусилля від поршня до колінчастого вала.  Крім того, за допомогою шатуна прямолінійний рух поршня перетворюється в обертальний рух колінчастого вала.

    Шатуни штампують з вуглецевої або легованої сталі, а потім піддають механічній і термічній обробкам.

   Складається шатун (рис. 19) з верхньої головки 2, стержня З і нижньої рознімної головки 5 і 6. Верхня головка з'єднує шатун з поршнем за допомогою пальця. У верхню головку шатуна запресована бронзова втулка 11 для зменшення тертя і спрощення ремонту. На головках шатунів і втулках є один, два або три отвори 1, через які надходить масляний туман для мащення поршневого пальця.

  У стержнях шатунів двигунів КДМ-100, Д-108, Д-130 і ЯМЗ-238НБ є поздовжній канал, по якому масло від нижньої головки шатуна надходить до поршневого пальця і через калібровані отвори у верхній головці змочує днище поршня для його охолодження. У верхню головку шатуна двигуна ЯМЗ-238НБ (рис. 19, б) для цього запресовано спеціальний розпилювач 13.

Рис. 19. Шатуни:

а — двигуна СМД-14; б — двигуна ЯМЗ-238НБ;

1 — отвори для підведення масла; 2 — верхня головка; З — стержень- 4— болт; 5—нижня головка; б — кришка нижньої головки; 7 — гайка; 8 — шплінт; 9 і 10 — нижній і верхній вкладиші; 11 — втулка; 12 —отвір; 13 — розпилювач масла; 14 — замкові шайби; 15 — трикутні шліци; 16- масляний канал; 17 — маслодозувальна втулка.

   Стержень шатуна має двотавровий переріз, що забезпечує найбільшу жорсткість при незначній масі.

   Нижня головка шатуна з'єднує його з шатунною шийкою колінчастого вала. Щоб можна було складати шатун з колінчастим валом, нижня кришка виготовлена з двох частин. Знімна частина нижньої головки шатуна називається кришкою. Для надання кришці необхідної жорсткості на її зовнішній поверхні є ребра. Площина рознімання нижньої головки шатуна на більшості двигунів перпендикулярна осі шатуна. Коли розміри нижньої головки досить великі і шатун не можна вийняти через циліндр (угору), рознім роблять під кутом 55° до осі шатуна (двигуни АМ-01, АМ-41, ЯМЗ-238НБ). У шатунах двигуна ЯМЗ-238НБ на внутрішньому боці нижньої головки запресована втулка 17, що дозує надходження масла для мащення поршневого пальця.          У двигунах КДМ-100, Д-108, Д-130, СМД-14 кришка нижньої головки шатуна кріпиться до шатуна двома шатунними болтами 4 з корончастими гайками 7. Болти щільно входять у отвори кришки й шатуна і забезпечують їхню фіксацію. У двигунах АМ-01, АМ-41, Д-37М і ЯМЗ-238НБ кришка фіксується за допомогою дрібних трикутних шліців 15 і кріпиться до шатуна двома болтами, які закручують у різьбові отвори шатуна і стопорять спеціальними замковими шайбами 14.

   Обрив шатунних болтів може викликати аварію двигуна, тому їх виготовляють з легованої сталі з наступною обробкою. Для того щоб болти не прокручувалися під час затягування гайок, на головках болтів є спеціальні лиски (двигун СМД-14) або стопорні штифти (двигуни Д-108, Д-130).

   Кришку нижньої головки кожного шатуна обробляють разом з шатуном і розкомплектовувати їх не можна. Тому на зовнішні поверхні обох половин нижньої головки наносять однакові цифри або мітки відповідно до порядкового номера циліндра. Під час складання шатуна мітки, що є на кришці й шатуні, треба сумістити.

 Мітки у двигунах АМ-01, АМ-41 і ЯМЗ-238НБ наносять на нижні головки шатунів та на їхні кришки.