Поршень двигуна є однією з найголовніших деталей і звичайно ж від матеріалу і якості поршнів залежить успішна експлуатація мотора і його довгий ресурс. У цій статті, більше розрахованої на новачків, буде описано все (ну або майже все), що пов'язано з поршнем, а саме: призначення поршня, його пристрій, матеріали і технологія виготовлення поршнів і інші нюанси.

Відразу хочу попередити шановних читачів, що якщо якийсь важливий нюанс, пов'язаний з поршнями, або з технологією їх виготовлення, я вже написав більш докладно в іншій статті, то зрозуміло мені немає сенсу повторюватися в цій статті. Я просто напросто буду ставити відповідне посилання, перейшовши по якій шановний читачу при бажанні зможе перейти на іншу більш докладну статтю і в ній ознайомитися з необхідною інформацією про порушених більш докладно.

На перший погляд багатьом новачкам може здатися, що поршень досить проста деталь і придумати вже щось більш досконале в його технології виробництва, формі і конструкції неможливо. Але насправді все не так просто і не дивлячись на зовнішню простоту форми, поршні і технології їх виготовлення до сих пір удосконалюються, особливо на найсучасніших (серійних або спортивних) більш високо-спритних форсованих двигунах. Але не будемо забігати вперед і почнемо від простого до складного.

Для початку розберемо для чого потрібен поршень (поршні) в двигуні, як він улаштований, які форми поршнів бувають для різних двигунів і далі вже плавно перейдемо до технологій виготовлення.

Для чого потрібен поршень двигуна.

Поршень, за рахунок кривошипно-шатунного механізму ( клонували і шатуна - див. Малюнок трохи нижче), переміщаючись поступально в циліндрі двигуна, наприклад переміщаючись вгору - для засмоктування в циліндр і стиснення в камері згоряння робочої суміші, а так само за рахунок розширення горючих газів переміщаючись в циліндрі вниз, робить роботу, перетворюючи теплову енергію згорає палива в енергію руху, яка сприяє (через трансмісію) обертанню провідних коліс транспортного засобу.

Поршень двигуна і сили діють на нього: А - сила, що притискає поршень до стінок циліндра; Б - сила, що переміщає поршень вниз; В - сила передається зусилля від поршня до шатуна і навпаки, Г - сила тиску горючих газів, що переміщає поршень вниз.

Тобто по суті без поршня в одноциліндровий двигун, або без поршнів в багатоциліндрові двигуні - неможливий рух транспортного засобу, на який встановлено двигун.

Крім того, як видно з малюнка, на поршень діють кілька сил, (також на тому ж малюнку не показані протилежні сили, що тиснуть на поршень знизу вгору).

І виходячи з того, що на поршень тиснуть і досить сильно кілька сил, у поршня повинні бути деякі важливі властивості, а саме:

• здатність поршня двигуна протистояти величезному тиску газів, що розширюються в камері згоряння.
• здатність стиснути і протистояти великому тиску стискається палива (особливо на дизелях ).
• здатність протистояти прориву газів між стінками циліндра і своїми стінками.
• здатність передавати величезний тиск на шатун, через поршневий палець, без поломок.
• здатність не зношуватися довгий час від тертя об стінки циліндра.
• здатність не заклініваться в циліндрі від теплового розширення матеріалу, з якого він виготовлений.
• поршень двигуна повинен мати здатність протистояти високій температурі згоряння палива.
• мати велику міцність при невеликій масі, щоб виключити вібрацію і інерційність.

І це далеко не всі вимоги, що пред'являються до поршнів, особливо на сучасних високо-спритних моторах. Про корисні властивості і вимоги сучасних поршнів ми ще поговоримо, а для початку давайте розглянемо пристрій сучасного поршня.

Як видно на малюнку, сучасний поршень можна розділити на кілька частин, кожна з яких має важливе значення і свої функції. Але нижче будуть описані основні найбільш важливі частини поршня двигуна і почнемо з найбільш важливою і відповідальною частини - з днища поршня.

Денце (днище) поршня двигуна.

Це сама верхня і найбільш навантажена поверхню поршня, яка звернена безпосередньо до камери згоряння двигуна. І навантажено денце будь-якого поршня не тільки великий гнітючої силою від розширення з величезною швидкістю газів, а й високою температурою згоряння робочої суміші.

Крім того, денце поршня своїм профілем визначає нижню поверхню самої камери згоряння і також визначає такий важливий параметр, як ступінь стиснення . До речі, залежатиме форма денця поршня може від деяких параметрів, наприклад від розташування в камері згоряння свічок, або форсунок, від розташування і величини відкриття клапанів, від діаметра тарілок клапанів - на фото зліва добре видно виїмки для тарілок клапанів в денці поршня, які виключають зустріч клапанів з денцем.

Так само форма і розміри денця поршня залежать від обсягу і форми камери згоряння двигуна, або від особливостей подачі в неї паливно-повітряної суміші - наприклад на деяких старих двотактних двигунах на денці поршня робили характерний виступ-гребінь, який грає роль відбивача і направляє потік продуктів горіння під час продування. Цей виступ показаний на малюнку 2 (виступ на денці також видно на малюнку вище, де показано пристрій поршня). До речі, на малюнку 2 так само показаний робочий процес стародавнього двотактного двигуна і то, як впливає виступ на денці поршня на наповнення робочою сумішшю і на випуск відпрацьованих газів (тобто на поліпшення продувки).

Двотактний двигун мотоцикла - робочий процес

Але на деяких двигунах (наприклад на деяких дизелях) на денці поршня в центрі навпаки є кругла виїмка, завдяки якій збільшується обсяг камери згоряння і відповідно зменшується ступінь стиснення.

Але, оскільки виїмка невеликого діаметру в центрі денця є не бажаною для сприятливого наповнення робочою сумішшю (з'являються небажані завихрення), то на багатьох двигунах на денцях поршнів в центрі перестали робити виїмки.

А для зменшення обсягу камери згоряння доводиться робити так звані витискувачі, тобто виготовляти денце з певним обсягом матеріалу, який у своєму розпорядженні трохи вище основної площині денця поршня.

Ну і ще один важливий показник - це товщина денця поршня. Чим вона товщі, тим міцніше поршень і тим більшу теплову і силове навантаження він зможе витримати досить довго. А чим тонше товщина денця поршня, тим більша ймовірність прогара, або фізичного руйнування денця.

Але зі збільшенням товщини денця поршня, відповідно збільшується і маса поршня, що для форсованих високо-спритних моторів дуже небажано. І тому конструктори йдуть на компроміс, тобто «ловлять» золоту середину між міцністю і масою, ну і звичайно ж постійно намагаються удосконалити технології виробництва поршнів для сучасних моторів (про технології пізніше).

Жарової пояс поршня.

Як видно на малюнку вище, де показано пристрій поршня двигуна, жаровим поясом вважається відстань від денця поршня до його самого верхнього компресійного кільця. Слід врахувати, що чим менше відстань від денця поршня до верхнього кільця, тобто чим тонше жаровой пояс, тим більш високу теплову напруженість будуть відчувати нижні елементи поршня, і тим швидше вони будуть зношуватися.

Тому для високо напружених форсованих двигунів бажано робити жаровой пояс товстіший, проте це роблять не завжди, так як це теж може збільшити висоту і масу поршня, що для форсованих і високо-спритних двигунів небажано. Тут так само як і з товщиною денця поршня, важливо знайти золоту середину.

Ущільнюючий ділянку поршня.

Ця ділянка починається від нижньої частини жарового пояса до того місця, де закінчується канавка самого нижнього поршневого кільця. На ущільнюючої ділянці поршня розташовані канавки поршневих кілець і вставлені самі кільця (компресійні і масло-знімні).

Канавки кілець не тільки утримують поршневі кільця на місці, але ще і забезпечують їх рухливість (завдяки певним зазорам між кільцями і канавками), що дозволяє поршневим кільцям вільно стискатися і розтискати за рахунок своєї пружності (що дуже важливо якщо циліндр зношений і має форму бочки) . Це також сприяє притиску поршневих кілець до стінок циліндра, що виключає прорив газів і сприяє гарній компресії , Навіть якщо циліндр трохи зношений.

Як видно на малюнку з пристроєм поршня, в канавці (канавках), призначеної для маслос'емного кільця є отвори для зворотного стоку моторного масла, яке масло-знімне кільце (або кільця) знімає зі стінок циліндра, при русі поршня в циліндрі.

Крім основної функції (не допустити прориву газів) ущільнюючого ділянки, у нього є ще одна важлива властивість - це відведення (точніше розподіл) частини тепла від поршня на циліндр і весь двигун. Зрозуміло для ефективного розподілу (відведення) тепла і для запобігання прориву газів важливо, що б поршневі кільця досить щільно прилягали до своїх канавках, але особливо до поверхні стінки циліндра.

Головка поршня двигуна.

Головка поршня вдає із себе спільну ділянку, який включає в себе вже описані мною вище денце поршня і його і ущільнює ділянку. Чим більші і потужніші головка поршня, тим вище його міцність, краще відведення тепла і відповідно більше ресурс, а й маса теж більше, що як було сказано вище, небажано для високо-спритних моторів. А знизити масу, без зменшення ресурсу, можна якщо збільшити міцність поршня шляхом удосконалення технології виготовлення, але про це я докладніше напишу пізніше.

До речі, мало не забув сказати, що в деяких конструкціях сучасних поршнів, що виготовляються з алюмінієвих сплавів, в голівці поршня роблять нірезістовую вставку, тобто в головку поршня заливають ободок з нірезіста (спеціального міцного і стійкого до корозії чавуну).

У цьому обідку прорізають канавку для самого верхнього і найбільш навантаженого компресійного поршневого кільця. І хоча завдяки вставці трохи збільшується маса поршня, зате істотно збільшується його міцність і зносостійкість (наприклад нірезістовую вставку мають наші вітчизняні Тетіївський поршні, виготовлені на ТМЗ).

Компресійна висота поршня.

Компресійна висота - це відстань в міліметрах, яке відраховується від денця поршня до осі поршневого пальця (або навпаки). У різних поршнів компрессионная висота різна і зрозуміло чим більше відстань від осі пальця до денця, тим вона більше, а чим вона більша, тим краще компресія і менша ймовірність прориву газів, а й більше сила тертя і нагрів поршня.

На старих тихохідних і мало-спритних моторах компрессионная висота поршня була більше, а на сучасних більш високо-спритних двигунах стала менше. Тут теж важливо знайти золоту середину, яка залежить від форсування мотора (чим вище обороти, тим менше повинно бути тертя і менша компрессионная висота).

Спідниця поршня двигуна.

Спідницею називають нижню частину поршня (її ще називають направляючої частиною). Спідниця включає в себе бобишки поршня з отворами, в які вставляється поршневий палець. Зовнішня поверхня спідниці поршня є направляючої (опорної) поверхнею поршня і ця поверхня також як і поршневі кільця треться об стінки циліндра.

Приблизно в середній частині спідниці поршня є припливи, в яких є отвори для поршневого пальця. А так як вага матеріалу поршня у припливів важче, ніж в інших місцях спідниці, то деформації від впливу температури в площині бобишек будуть більше, ніж в інших частинах поршня.

Тому для зниження температурних впливів (і напруг) на поршні з двох сторін з поверхні спідниці знімають частину матеріалу, приблизно на глибину 0,5-1,5 мм і виходять невеликі поглиблення. Ці поглиблення, звані холодильниками, не тільки сприяють усуненню температурних впливів і деформацій, але ще і перешкоджають утворенню задирів, а так само покращують мастило поршня при русі його в циліндрі.

Слід так само відзначити, що спідниця поршня має форму конуса (в верху у денця вже, внизу ширше), а в площині, перпендикулярній осі поршневого пальця має форму овалу. Ці відхилення від ідеальної циліндричної форми мінімальні, тобто мають лише кілька соток мм (ці величини різні - чим більше діаметр, тим більше відхилення).

Конус потрібен для того, що б поршень розширювався від нагрівання рівномірно, адже в верху температура поршня вище, а зн Ачит і теплове розширення більше. А раз у денця діаметр поршня трохи менше, ніж внизу, то при розширенні від нагрівання поршень прийме форму, близьку до ідеального циліндра.

Ну а овал призначений для компенсації швидкого зносу на стінках спідниці, які стираються швидше там де тертя вище, а вище воно в площині руху шатуна.

Завдяки спідниці поршня (точніше її бічній поверхні) забезпечується потрібне і правильне положення осі поршня до осі циліндра двигуна. За допомогою бічної поверхні спідниці, до циліндра двигуна передаються поперечні зусилля від дії бічної сили А (див. Верхній малюнок в тексті, а так же малюнок справа) яка періодично впливає на поршні і циліндри, під час перекладання поршнів під час обертання коленвала (кривошипно шатунного механізму).

Також завдяки бічній поверхні спідниці здійснюється відведення тепла від поршня до циліндра (так само як і від поршневих кілець). Чим більше бокова поверхня спідниці, тим краще йде відведення тепла, менше витік газів, менше стукіт поршня при деякому зносі втулки верхньої головки шатуна (або при неточною обробці втулки - див. Малюнок зліва), втім як і при трьох компресійних кільцях, а не двох (про це я докладніше написав ось тут ).

Але при занадто довгій спідниці поршня більше його маса, більше тертя виникає об стінки циліндрів (на сучасних порушених для зменшення тертя і зносу стали наносити антифрикційне покриття на спідницю), а зайва маса і тертя дуже небажані в високо-спритних форсованих сучасних (або спортивних) моторах і тому на таких двигунах спідницю поступово стали робити дуже короткою (так звана миниюбка) і поступово майже від неї позбулися - так і з'явився Т-образний поршень, показаний на фото праворуч.

Але і у Т-образних поршнів є недоліки, наприклад у них знову ж можуть бути проблеми з тертям об стінки циліндра, через недостатню змащувати поверхні дуже короткої спідниці (причому на малих обертах).

Більш докладно про ці проблеми, а так само в яких випадках Т-образні поршні з міні спідницею потрібні в деяких двигунах, а в яких ні, я написав окрему докладну статтю ось тут . Там же написано про еволюцію форми поршня двигуна - раджу почитати. Ну а ми думаю вже розібралися з пристроєм поршнів і плавно переходимо до технологій виготовлення поршнів, щоб зрозуміти які поршні, виготовлені різними способами краще, а які гірше (менш міцні).

Поршні для двигунів - матеріали виготовлення.

При виборі матеріалу для виготовлення поршнів пред'являють суворі вимоги, а саме:

• матеріал поршня повинен мати відмінні антифрикційні (антизадирні) властивості.
• матеріал поршня двигуна повинен мати досить високу механічну міцність.
• матеріал поршня повинен мати малу щільність і гарну теплопровідність.
• матеріал поршня повинен бути стійкий до корозії.
• матеріал поршня повинен мати малий коефіцієнт лінійного розширення і бути по можливості близький або дорівнює коефіцієнту розширення матеріалу стінок циліндра.

Чавун.

Раніше, на зорі двигунобудування, ще з часів найперших автомобілів, мотоциклів і літаків (аеропланів), для матеріалу поршнів застосовували сірий чавун (до речі для поршнів компресорів теж). Звичайно ж, як і у будь-якого матеріалу, у чавуну є як переваги, так і недоліки.

З переваг слід відзначити хорошу зносостійкість і достатню міцність. Але найбільш важлива перевага чавунних поршнів, що встановлюються в двигуни з чавунними блоками (або гільзами) - це такий же коефіцієнт теплового розширення, як і чавунного циліндра двигуна. А значить теплові зазори можна зробити мінімальними, тобто набагато менше, ніж у алюмінієвого поршня, що працює в чавунному циліндрі. Це дозволяло істотно збільшити компресію і ресурс поршневої групи.

Ще один істотний плюс чавунних поршнів - це невелике (всього 10%) зниження механічної міцності при нагріванні поршня. У алюмінієвого поршня зниження механічної міцності при нагріванні відчутно більше, але про це нижче.

Але з появою більш спритних двигунів, при використанні чавунних поршнів, на великих оборотах став виявлятися їх головний недолік - досить велика маса, в порівнянні з алюмінієвими поршнями. І поступово перейшли до виготовлення поршнів з алюмінієвих сплавів, навіть в двигунах з чавунним блоком, або гільзою, хоч і довелося робити алюмінієві поршні з набагато більшими тепловими зазорами, щоб виключити клин алюмінієвого поршня в чавунному циліндрі.

До речі, раніше на порушених деяких двигунів робили косою розріз спідниці, який забезпечував пружні властивості спідниці алюмінієвого поршня і виключав його заклинювання в чавунному циліндрі - приклад такого поршня можна побачити на двигуні мотоцикла ІЖ-49).

А з появою сучасних циліндрів, або блоків циліндрів, повністю виконаних з алюмінію, в яких уже немає чавунних гільз (тобто покритих нікасілем або керонайтом ) З'явилася можливість виготовляти алюмінієві поршні теж з мінімальними тепловими зазорами, адже теплове розширення легкосплавного циліндра стало практично таким же, як і у легкосплавного поршня.

Алюмінієві сплави. Практично всі сучасні поршні на серійних двигунах зараз виготовляють з алюмінієвих сплавів (Крім пластикових поршнів на дешевих китайських компресорах).

У поршнів, виконаних з алюмінієвих сплавів теж є як переваги, так і недоліки. З основних переваг слід відзначити невелику вагу легкосплавного поршня, що дуже важливо для сучасних високоспритних двигунів. Вага алюмінієвого поршня звичайно ж залежить від складу сплаву і від технології виготовлення поршня, адже кований поршень важить значно менше, ніж виконаний з того ж сплаву методом лиття, але про технології я напишу трохи пізніше.

Ще одна перевага легкосплавних поршнів, про яку мало хто знає - це досить висока теплопровідність, яка приблизно в 3-4 рази вище, ніж теплопровідність сірого чавуну. Але чому гідність, адже при високій теплопровідності і теплове розширення досить не мале і доведеться і доведеться і теплові зазори робити більше, якщо звичайно циліндр чавунний (але з сучасними алюмінієвими циліндрами це стало не потрібно).

А справа в тому, що висока теплопровідність не дозволяє нагріватися денця поршня більш ніж 250 ° C, а це сприяє набагато краще наповнення циліндрів двигунів і звичайно ж дозволяє ще більше підвищити ступінь стиснення в бензинових моторах і тим самим підняти їх потужність.

До речі, щоб як то посилити відлиті з легкого сплаву поршні, в їх конструкцію інженери додають різні підсилюють елементи - наприклад роблять стінки і денце поршня товщі, а бобишки під поршневий палець відливають більш масивними. Ну або роблять вставки з того ж чавуну, я про це вже писав вище. І звичайно ж всі ці посилення збільшують масу поршня, і в підсумку виходить, що більш древній і міцний поршень, виготовлений з чавуну, програє у вазі легкосплавних поршня зовсім чуть чуть, де то відсотків на 10 - 15.

І тут будь-якого напрошується питання, а чи варта шкурка вичинки? Стóит, адже у алюмінієвих сплавів є ще одна відмінна властивість - вони рази в три краще відводять тепло, ніж той же чавун. І це важлива властивість незамінне в сучасних високо-спритних (форсованих і гарячих) двигунах, у яких досить високий ступінь стиснення.

До того ж сучасні технології виробництва кованих поршнів (про них трохи пізніше) істотно підвищують міцність і зменшують вагу деталей і вже не потрібне посилення таких поршнів різними вставками, або більш масивними виливками.

До недоліків поршнів, виконаних з алюмінієвих сплавів відносяться такі як: досить великий коефіцієнт лінійного розширення алюмінієвих сплавів, у яких воно складає приблизно в два рази більше, ніж у поршнів виконаних з чавуну.

Ще одним істотним недоліком алюмінієвих поршнів є досить велике зниження механічної міцності, при підвищенні температури поршня. Наприклад: якщо легкосплавний поршень нагріти до трьохсот градусів, то це призведе до зниження його міцності аж в два рази (приблизно на 55 - 50 відсотків). А у чавунного поршня при його нагріванні міцність знижується відчутно менше - всього на 10 - 15%. Хоча сучасні поршні, виконані з алюмінієвих сплавів методом поковки, а не за допомогою лиття, при нагріванні втрачають міцність набагато менше.

На багатьох сучасних алюмінієвих порушених зниження механічної міцності і занадто велике теплове розширення усувається більш досконалими технологіями виробництва, які замінили традиційне лиття (про це нижче), а так само спеціальними компенсаційними вставками (наприклад згадані мною вище - вставки з нірезіста), які не тільки збільшують міцність, але і значно зменшують теплове розширення стінок спідниці поршня.

Поршень двигуна - технології виготовлення.

Ні для кого не секрет, що з часом, щоб збільшити потужність двигунів, поступово почали підвищувати ступінь стиснення і обороти моторів. А щоб підняти потужність без особливого збитку для ресурсу поршнів, поступово удосконалювалися технології їх виготовлення. Але почнемо все по порядку - з звичайних литих поршнів.

Поршні виготовлені методом звичайного лиття.

Ця технологія найпростіша і давня, вона застосовується з самого початку історії авто і двигунобудування, ще з часів пе Рвих чавунних поршнів.

Технологія виробництва поршнів для найсучасніших двигунів звичайним литтям вже майже не застосовується. Адже на виході виходить продукт має вади (пори і т.д.) значно знижують міцність деталі. Та й технологія звичайного лиття в форму (кокіль) досить давня, вона запозичена ще у наших древніх предків, які багато століть назад відливали бронзові сокири.

І залитий в кокіль сплав алюмінію повторює форму кокиля (матриці), а потім деталь ще потрібно обробити термічно і на верстатах, знімаючи зайвий матеріал, що забирає багато часу (навіть на верстатах з ЧПУ).

Лиття під тиском.

У поршня, виготовленого методом простого лиття міцність не висока, через пористості деталі і поступово багато фірм від цього способу відійшли і почали відливати поршні під тиском, що значно поліпшило міцність, так як пористість майже відсутня.

Технологія лиття під тиском, істотно відрізняється від технології звичайного лиття сокир бронзового століття і звичайно ж на виході виходить більш акуратна і міцна деталь, що має трохи кращу структуру. До речі, литтям алюмінієвих сплавів під тиском в форму (ще цю технологію називають рідкою штампуванням) відливають не тільки поршні, а й рами деяких сучасних мотоциклів та автомобілів.

Але все ж і ця технологія не ідеальна і якщо навіть ви візьмете в руки відлитий під тиском поршень і розглянувши його, нічого не знайдете на його поверхні, але це не означає, що і всередині все ідеально. Адже в процесі лиття, навіть під тиском, не виключено появи внутрішніх пустот і каверн (найдрібніших бульбашок), що зменшують міцність деталі.

Але все ж лиття поршнів під тиском (рідка штамповка) істотно краще звичайного лиття і ця технологія до цих пір застосовується на багатьох заводах при виготовленні поршнів, рам, деталей ходової деталей автомобілів і мотоциклів. А кому цікаво детальніше почитати про те, як роблять рідко-штамповані поршні і про їх переваги, то читаємо про них ось тут .

Ковані поршні автомобіля (мотоцикла).

Ковані поршні для вітчизняних автомобілів.

Ця найбільш прогресивна на даний момент технологія виробництва сучасних легкосплавних поршнів, які мають безліч переваг перед литими і які встановлюють на найсучасніші високо-спритні мотори, з високим ступенем стиснення. У кованих поршнів, виготовлених авторитетними фірмами, практично немає недоліків.

Але мені немає сенсу писати про кованих порушених докладно в цій статті, так як я написав про них дві дуже докладні статті, які кожен бажаючий зможе почитати, клікнувши на посилання нижче.

Ковані поршні 1

Ковані поршні 2

Ось начебто і все, якщо що-небудь згадаю ще про таку важливу деталь, як поршень двигуна, то обов'язково допишу, успіхів всім.