Поршневая группа. 
Тракторы в лесном хозяйстве

Поршень воспринимает и через палец передает шатуну усилия, возникающие в результате давления газов и действия сил инерции. Он подвергается действию высоких температур и давлений — до 9… 12 МПа (90…120 кгс/см²) и движется со значительной скоростью — до 15 м/с. В соответствии с условиями работы материал поршня должен обладать высокими механическими свойствами и износостойкостью, быть легким, хорошо отводить теплоту. Поэтому поршни современных двигателей отливают из легкого, но достаточно прочного алюминиевого сплава.

Поршень (рис. 18, а) состоит из днища А, уплотняющей части (головки) Б и направляющей части (юбки). Днище поршня дизельных двигателей делают фасонным (рис. 18, б). Его форма зависит от способа смесеобразования и расположения клапанов и форсунок. Фасонное днище способствует лучшему перемешиванию топлива, поступающего в цилиндр, с воздухом и более полному его сгоранию. На боковой наружной поверхности поршня имеются канавки. В канавки б, расположенные в головке, устанавливают компрессионные кольца 8, а в канавки 9 — маслосъемные кольца 7. На двигателях СМД-60 и СМД-62 канавка для маслосъемного кольца имеется только в головке, а на А-01МЛ, СМД- 14БН, СМД-18БН, Д-240, ЯМЗ-238НБ и ЯМЗ-240Б, кроме того, и внизу направляющей части. В канавках по окружности просверлены отверстия для отвода масла, которое кольцами снимается со стенок цилиндра и стекает внутрь поршня, а затем в картер.

Внутри поршня на боковых стенках имеются две бобышки 5, в отверстия которых установлен поршневой палец 4. Для прочности и лучшего отвода теплоты каждая бобышка связана с днищем симметрично расположенными ребрами. В бобышках сделаны канавки под пружинные стопорные кольца 3, удерживающие палец от осевых перемещений. Около бобышек на наружной поверхности поршня сделаны срезы, называемые холодильниками. Здесь скапливается масло, способствующее охлаждению утолщенной части поршня и предохраняющее поршень от заклинивания.

Рис. 18. Поршень двигателя:

а — СМД-18БН; б — сечение поршней других двигателей: 1 — шатун; 2 — втулка;

• 3 — стопорное кольцо; 4 — поршневой палец; 5 — бобышка; 6 — канавки для компрессионных колец; 7 — маслосъемное кольцо; 8 — компрессионное кольцо;
• 9 — канавки для маслосъемных колец

Для свободного перемещения поршня между ним и цилиндром должен быть зазор, причем такой, чтобы расширяющийся в результате нагрева поршень не заклинивало и обеспечивалось бы образование масляной пленки. Поскольку верхняя часть поршня нагревается сильнее нижней, а следовательно, и больше расширяется, диаметр поршня вверху несколько меньше.

Направляющая часть поршня некоторых двигателей (СМД-60, СМД- 62, ЯМЗ-238НБ, ЯМЗ-240Б) имеет конусно-овальную форму. На А-01МЛ, ЯМЗ-238НБ и ЯМЗ-240Б для прохода противовесов коленчатого вала (когда поршень находится в НМТ) и уменьшения массы поршня часть юбки под бобышками удалена.

Для облегчения подбора поршней к цилиндру и поршневых пальцев по отверстиям в бобышках поршни сортируют на размерные группы в пределах допуска по диаметрам направляющей части и отверстиям в бобышках. Метки, обозначающие размерные группы, обычно ставят на днище. Соответственно по размерам разделяют цилиндры и поршневые пальцы. Метку ставят на верхнем торце гильзы цилиндра, чтобы облегчить подбор поршней одинаковой массы, на днище обычно указывают и массу.

Поршневые кольца разделяют на компрессионные (рис. 19, а) и маслосъемные (рис. 19, б). Их изготовляют из легированного чугуна или стали.

Рис. 79. Поршневые кольца:

а — компрессионные; 6 — маслосъемные: 1 — замок;

2 — кольцевая канавка; 3 — пазы.

Компрессионные кольца служат для уплотнения зазора между поршнем и стенкой цилиндра. Благодаря их установке предотвращается прорыв воздуха и газов из надпоршневого пространства в картер, а также проникновение масла в камеру сгорания. Кроме того, по ним отводится теплота от головки поршня к стенкам цилиндра.

Маслосъемные кольца служат для снятия излишков масла со стенок зеркала цилиндров.

Для надежной работы поршневой группы кольца должны плотно, без зазоров, по всей окружности прилегать к зеркалу цилиндра. Поэтому наружный диаметр кольца в свободном состоянии несколько больше внутреннего диаметра цилиндра. В одном месте часть кольца вырезана, благодаря чему при установке оно пружинит и хорошо прилегает к поверхности цилиндра. Вырез в поршневом кольце называется замком.

Формы замков показаны на рис. 20. Наибольшее распространение получило кольцо с прямым замком 3. Оно проще и дешевле в изготовлении и обеспечивает достаточную герметичность.

Рис. 20. Формы замков поршневых колец:

1 — ступенчатая; 2 — косая; 3 — прямая При установке кольца в цилиндр в замке должен оставаться зазор в несколько десятых миллиметра, рассчитанный на расширение кольца при нагревании.

Небольшое количество газов из надпоршневого пространства проникает в зазоры между внутренними цилиндрическими поверхностями компрессионных колец и поршневых канавок. При этом давление Р

(рис. 21) и скорость газов постепенно уменьшаются. Эти газы также прижимают кольца к стенкам цилиндра.

Рис. 21. Распределение давления газов на поршневые кольца.

По высоте кольца в канавках устанавливают с зазором от сотых до нескольких десятых долей миллиметра, чтобы трение кольца о стенки канавки не мешало ему свободно пружинить.

Поперечное сечение компрессионных колец, представленное на рис. 22, может быть различной формы.

Рис. 22. Форма поперечного сечения компрессионных колец.

По сравнению с кольцом прямоугольного сечения 1 конусное кольцо 2 имеет меньшую опорную поверхность, поэтому его удельное давление на стенку цилиндра больше. Такое кольцо быстро прирабатывается к зеркалу, и срок его службы увеличивается.

По внутреннему диаметру компрессионных колец 3 двигателя СМД- 18БН сделана выточка. При установке в цилиндр такие кольца скручиваются и прилегают к зеркалу нижней кромкой. Они работают аналогично конусным и одновременно уменьшается их перемещение в вертикальной плоскости.

На двигателях А-01МЛ, СМД-60, СМД-62, ЯМЗ-238НБ и ЯМЗ-240Б устанавливают компрессионные кольца 4, имеющие в поперечном сечении форму односторонней трапеции с углом наклона 10° в сторону внутреннего диаметра. Кольцо такой формы уменьшает возможность зависания поршня в канавках при больших отложениях нагара и обеспечивает лучшее прилегание его к стенкам цилиндра.

Первое верхнее кольцо испытывает наибольшее давление газов, в связи с чем сильно нагревается, и смазка поступает к нему в недостаточном количестве. Поэтому, чтобы уменьшить истирание, на его трущуюся поверхность наносят пористый слой, А износостойкого металла — хрома (см. рис. 21). Масло, попавшее в поры, уменьшает износ кольца и цилиндра. На наружной цилиндрической поверхности второго и третьего компрессионных колец двигателей ЯМЗ- 238НБ и ЯМЗ-240Б имеются три кольцевые канавки глубиной 0,3 мм, способствующие быстрой их приработке и увеличению срока службы колец и цилиндров.

Для уменьшения утечки газов в картер замки колец смещают по окружности относительно друг друга на 90… 120°.

Внутренняя поверхность цилиндров обильно смазывается. Если излишки масла не снимать, то проникая в полость над поршнем и соприкасаясь с горячими газами и деталями, оно частично сгорает, а частично окисляется. Это приводит к повышенному расходу масла и образованию нагара на днище поршня и стенках цилиндра.

Проникновению масла в надпоршневое пространство в значительной мере способствует насосное действие компрессионных колец, схема действия которого представлено на рис. 23. Когда поршень движется вниз, кольца прижимаются к верхним плоскостям его канавок, и образующиеся под кольцами зазоры заполняются маслом. При ходе поршня вверх кольца прижимаются к нижним плоскостям канавок и выдавливают масло через радиальный зазор в пространство над кольцом.

Чтобы ограничить попадание масла в камеру сгорания, ниже компрессионных колец на поршне установлены маслосъемные кольца (см. рис. 19, б), которые снимают излишки масла и отводят его в картер двигателя.

Схема работы маслосъемных колец показана на рис. 24, а. При движении поршня 2 вниз излишки масла снимаются кромками кольца и через зазор между кольцом, канавкой поршня и прорезь 4 в кольце, а затем через отверстие 6 в поршне отводятся в картер двигателя. Если под маслосъемным кольцом имеются маслоотводящие каналы 1, то часть снятого масла стекает по этим каналам в картер. Аналогичный процесс происходит при движении поршня вверх.

Рис. 23. Насосное действие поршневых колец.

Рис. 24. Маслосъемные кольца:

а — схема работы; б — маслосъемное кольцо скребкового типа; в — маслосъемное кольцо с радиальным расширителем: 1 — маслоотводящий канал; 2 — поршень; 3 — цилиндр; 4 — прорезь в кольце; 5 — маслосъемное кольцо; 6 — отверстие в поршне; 7 — верхнее кольцо; 8 — нижнее кольцо;

9 — расширитель На двигателях Д-240, Д-241 устанавливают маслосъемное кольцо скребкового типа (рис. 24, б). На верхнем кольце 7 имеется рабочий поясок и пазы на нижнем торце. Нижнее кольцо 8 такое же, но без пазов. Его в одну канавку. Кольца действуют независимо друг от друга и легко прирабатываются к поверхности гильзы цилиндра. Рабочий буртик колец хромирован.

Поршни большинства тракторных двигателей (Д-240, Д-241, СМД- 14БН, СМД-18БН, А-01МЛ, ЯМЗ-238НБ, ЯМЗ-240Б) имеют два маслосъемных кольца. Одно из них располагается непосредственно под компрессионными кольцами, а второе — на направляющей части поршня.

Чтобы маслосъемное кольцо более длительный срок плотно прилегало к зеркалу цилиндров, в двигателе СМД-60 между кольцами и канавкой поршня ставят радиальный расширитель 9 (рис 24, в). Он изготовлен из стальной упругой пластины и имеет форму незамкнутого многоугольника. Для прохождения масла в нем сделаны пазы.

Поршневой палец служит для шарнирного соединения поршня с шатуном. Поскольку при работе палец подвергается действию больших переменных нагрузок, он должен быть прочным, жестким и одновременно износостойким и легким. Поршневой палец 4 (см. рис. 18, а) представляет собой стальную пустотелую трубку. Его наружную поверхность цементируют, закаляют и подвергают отпуску, и после термообработки шлифуют и полируют. Масса такого пальца невелика, трущаяся поверхность твердая и износостойкая, а сердцевина остается вязкой, поэтому он выдерживает большие ударные нагрузки.

Концами палец устанавливают в отверстия бобышек 5, а средняя его часть проходит через отверстие в верхней головке шатуна 1. Чтобы палец не касался зеркала цилиндра, его длина несколько меньше диаметра поршня. От осевых смещений палец удерживается стопорными кольцами 3, которые вставляют в канавки обеих бобышек. В отверстие верхней головки шатуна палец вставляют с небольшим зазором, а в бобышки — с натягом. Во время работы двигателя из-за различных коэффициентов линейного расширения материалов поршня (алюминиевый сплав) и пальца (сталь) при достижении рабочей температуры, между поршнем и пальцем появляется зазор, и палец может поворачиваться в бобышках. Такой палец называется плавающим. В бобышках палец смазывается маслом, снимаемым кольцами и разбрызгиваемым коленчатым валом.