Avtoargon.ru

АвтоАргон
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Устройство автомобилей

Устройство автомобилей

Поршневые кольца

Назначение поршневых колец и требования к ним

Рассматривая требования к поршневой группе в предыдущей статье, мы упоминали, что зазор между поршнем и цилиндром должен быть минимальным, чтобы исключить прорыв газов из рабочей полости (камеры сгорания) и не допустить попадание в нее моторного масла. И, поскольку этот зазор лимитируется тепловым расширением поршня, мы пришли к выводу, что должной герметизации рабочей полости цилиндра одним лишь уменьшением зазора между поршнем и стенками цилиндра достичь невозможно – возрастает вероятность заклинивания поршня из-за температурного расширения.
Чтобы достичь оптимальной герметизации камеры сгорания, конструкторы ввели в поршневую группу очень важный элемент – поршневые кольца.

Поршневые кольца являются упругими элементами уплотнения поршневой группы, обеспечивающими:

  • герметичность рабочей полости цилиндра;
  • отвод теплоты от головки поршня;
  • предотвращения перекачки лишнего смазочного материала в камеру сгорания.

Конструкция и техническое состояние поршневых колец определяют компрессию в цилиндре и расход масла на угар. При этом под компрессией понимается процесс сжатия газа в цилиндрах двигателя при увеличении его давления и температуры.

Как упоминалось в предыдущей статье, количество компрессионных колец на поршне диктуется давлением газов в цилиндре и частотой вращения коленчатого вала. Поэтому на поршнях двигателей, мощность которых обусловлена значительным крутящим моментом, устанавливают больше компрессионных колец, чем на поршнях скоростных двигателей, мощность которых обусловлена высокой частотой вращения коленчатого вала. Уменьшение числа колец позволяет снизить массу поршня, благодаря чему в высокооборотистых двигателях уменьшаются не только потери на трение, но и инерционные нагрузки.

Одно и то же поршневое кольцо не может одновременно выполнять две важные функции – предотвращать прорыв газов из рабочего объема цилиндра и не допускать попадания в этот объем моторного масла, используемого для смазывания поверхностей трения между цилиндром (гильзой) и поршнем. Поэтому в двигателях применяется два типа поршневых колец – компрессионные (уплотняющие) и маслосъемные.

Компрессионные поршневые кольца

Компрессионное (уплотняющее) поршневое кольцо представляет собой криволинейный упругий брус, имеющий относительно большой вырез (замок) S (см. рис. 1) в свободном состоянии. При монтаже в цилиндр кольцо сжимается и благодаря своей упругости плотно прилегает к стенкам цилиндра, обеспечивая надежное уплотнение зазора между поверхностями поршня и цилиндра.
Величина усилия прилегания кольца к поверхности цилиндра определяется отношением диаметра кольца в сжатом состоянии по внешней поверхности к толщине кольца. Чем меньше это отношение, тем больше упругость кольца и качественнее уплотнение рабочей полости цилиндра.

Поскольку концы поршневого кольца разжимаются под воздействием давления внутри цилиндра на торцы стыка (замка), это приводит к разрыву смазывающей масляной пленки прорывающимися из рабочей полости газами и увеличению сил трения в зоне замка.
С целью сохранения уплотняющего действия применяют поршневые кольца с корректированной эпюрой усилий или с расширителями различной конструкции, относительно равномерно распределяющими нагрузку на стенки цилиндра со стороны поршневого кольца.

При износе поршневого кольца и уменьшении его толщины радиальное давление от силы упругости кольца понижается и перераспределяется по его окружности. При чрезмерном износе кольца нарушается его контакт с поверхностью гильзы, в первую очередь в зоне замка.
Форма изношенного кольца зависит от первоначальной эпюры его давлений на поверхность цилиндра. Кольца с равномерной эпюрой давлений имеют меньшие сроки службы, чем кольца с корректированной эпюрой давлений.

По этой причине, для повышения срока службы и устойчивости против вибраций кольца чаще всего изготовляют с неравномерным (корректированным) давлением по окружности, увеличивающимся в зоне замка. Это достигается разной толщиной кольца по его длине – в зоне стыка (замка) кольцо изготавливают тоньше, благодаря чему давление на цилиндр уменьшается. При износе колец с корректированной эпюрой давление в зоне замка уменьшается и перераспределяется на соседние участки. Поэтому продолжительность работы такого кольца до момента потери надежного контакта его с цилиндром (гильзой) возрастает.

Поршневые компрессионные кольца могут выполняться цельными или составными. Составные кольца представляют собой набор из трех-четырех конических пластин, изготовленных навивкой на ребро из стальной ленты. Они устанавливаются в кольцевую канавку с осевым натягом и хорошо обеспечивают торцевое уплотнение.
Такие кольца отличаются большим радиальным усилием и хорошо прирабатываются к поверхности цилиндра.
Недостатком составных колец является плохая теплопроводность, поэтому их нельзя использовать в качестве верхних компрессионных колец.

Для ускорения приработки поршневых колец к рабочей поверхности цилиндра их покрывают мягкими сплавами и уменьшают площадь контакта нового кольца с поверхностью цилиндра (гильзы). Для этого применяют:

  • конические («минутные) кольца с углом наклона образующей 15’…30’;
  • торсионные кольца;
  • кольца с круговыми канавками по наружной поверхности.

Конические («минутные») кольца (рис. 2,б) отличаются повышенным усилием со стороны нижней кромки на стенку цилиндра, в результате чего она интенсивно изнашивается в первые часы работы двигателя, при этом процесс приработки ускоряется.

Торсионные (скручивающиеся) кольца (рис. 2, г, д, к) при сжатии деформируются в верхней части сечения в большей степени, чем в нижней. При этом нижняя часть кольца становится конусной (как в «минутных» кольцах) и быстро прирабатывается к стенке цилиндра. Однако такие кольца плохо контактируют со стенками канавки, что затрудняет теплообмен через них между головкой поршня и стенкой цилиндра.

Под воздействием сил трения и давления газов тонкие поршневые кольца прогибаются и выворачиваются, при этом их острые кромки могут вызвать задиры на рабочей поверхности цилиндра (гильзы). Чтобы избежать этого неприятного явления, кольцам придают бочкообразную форму (рис. 2, в).

Для уменьшения пригорания колец иногда применяют трапециевидные кольца (рис. 2, е, ж). Работа таких колец основана на том, что при изменении направления действия бокового усилия трапециевидное кольцо перемещается по канавке и, устанавливаясь в ней, выжимает смазочный материал из торцевых зазоров, что препятствует образованию смолистых отложений и коксованию.

Наиболее просты в изготовлении и обладают хорошим теплоотводом кольца с прямоугольным поперечным сечением (рис. 2, а). Однако приработка таких колец к зеркалу цилиндра затруднена.

Компрессионные кольца отличаются отрицательным насосным действием, которое приводит к перекачке масла со стенок цилиндров в камеру сгорания. При попадании масла в рабочую полость цилиндра оно сгорает и образует нагар на днище и в канавках поршня, на стенках цилиндра и на свече зажигания. Для удаления моторного масла со стенок цилиндра применяют маслосъемные кольца.

Маслосъемные поршневые кольца

Маслосъемные кольца могут быть цельными и составными, чугунными и стальными. Для того, чтобы кольцо не всплывало в масле, его площадь контакта с поверхностью цилиндра увеличивается узкими кольцевыми поясами. Сечения цельных маслосъемных колец показаны на рис. 3.

Широкое применение нашли составные маслосъемные кольца. Они состоят из двух витых стальных колец (рис. 3) и расширителей, обеспечивающих как радиальное усилие на стенку цилиндра, так и прижатие колец к торцевым поверхностям поршневых канавок. В связи с этим различают радиальные и осевые расширители поршневых маслосъемных колец, которые обычно изготавливаются из стальных гофрированных лент.

Существуют кольца, у которых функции осевого и радиального расширителя выполняет один элемент, обладающий упругостью, как в осевом, так и в радиальном направлении (рис. 3, д). Такие расширители называют тангенциальными.

Составные маслосъемные кольца, обладающие высокой гибкостью, относительной подвижностью и высоким радиальным усилием, значительно эффективнее, чем цельные чугунные, приспосабливаются к поверхности цилиндра.

Какие бывают поршневые кольца

Многим водителям знакомы принципы работы двигателя внутреннего сгорания. В нем много комплектующих, определяющих нормальное функционирование всех систем агрегата. Например, такие, казалось бы, незначительные детали, как поршневые кольца, выполняют достаточно важную функцию в работе мотора.

Если эти детали износились, это сразу отражается на производительности мотора, резко возрастает потребление топлива и моторного масла. Но для того, чтобы поставить новые кольца самостоятельно, нужно разобраться в их видах и особенностях. Если по незнанию поставить на поршень комплект не того диаметра или установить детали в неправильном порядке, это может быть чревато необходимостью капитального ремонта двигателя.

Читать еще:  Что такое присадка некст для двигателей

В данной статье мы рассмотрим, какие бывают их виды, что такое «тепловой зазор поршневых колец», как сделать оправку для их установки своими руками и некоторые другие моменты.

Назначение поршневых колец

Не будем подробно разбираться в принципах работы двигателя внутреннего сгорания. Коснемся только вопроса соединения поршней и двигателя цилиндра. Как известно, оно является герметичным. Тем не менее, поршни легко скользят по внутренним кольцам цилиндра, не давая газам из надпоршневого пространства проникать в зазор между двумя поверхностями в картер агрегата.

Тем не менее, некоторая утечка газов все равно происходит даже на полностью исправном двигателе, но при качественных кольцах она составляет допустимую норму и никак не может повлиять на работу агрегата. В том случае, когда эти детали поршня значительно изнашиваются, количество проникающих в картер газов увеличивается.

Но существует и другое назначение, для выполнения ряда таких функций:

  • герметичное соединение поверхностей поршней и стенок цилиндра;
  • обеспечение нужного количества масла, находящегося на стенках цилиндра, и предотвращение его попадания в камеру сгорания;
  • кольца отводит тепло от поршней к стенкам цилиндра, что предотвращает их перегревание и коррозию.

Не трудно догадаться, что поршни выполняют свою задачу в крайне агрессивных условиях. С одной стороны, это экстремальные температуры, возникающие в процессе работы агрегата. С другой – условия масляного голодания в верхней части поршня. Данные задачи решаются за счет подбора материала для всех видов колец и их различная форма.

Но если двигатель имеет средние показатели мощности, то достаточно будет и обычных, более дешевых широких колец.

Конструкция поршневых колец

На большинстве моделей машин внутри двигателей для каждого поршня применяется по три кольца. Они имеют диаметр, превышающий размер самого поршня. Часть каждого из них вырезана. Этот вырез называется замком.

На поршне они устанавливаются таким образом, чтобы замки не располагались на одном уровне. Данные прорези – это расстояние между концами незамкнутых колец. Замки имеются исключительно на всех разновидностях данных деталей. Они предназначены для компенсации тепловых расширений, возникающих в процессе взаимодействия внутренних деталей двигателя.

Всем известно, что при воздействии высоких температур на металл, он имеет свойство расширяться. Если бы кольца имели монолитную конструкцию, они при нагревании увеличивали бы нагрузку на поршни и цилиндры.

Для чего нужен тепловой зазор в поршневых кольцах

Известно, что в процессе перемещения поршня, он воспринимает огромное давление. Это давление передается на коленвал. Именно наличие зазора в конструкции позволяет максимально передать это давление и полностью использовать его величину.

Кроме того, тепловой зазор обеспечивает минимальный контакт поверхностей поршня и цилиндра. В противном случае эти детали подвергались бы повышенному износу. Еще одна не менее важная функция – это обеспечение поверхностей оптимальным количеством масляной смазки. Масло проникает в зазоры, но при этом не попадает в камеру сгорания.

Именно зазоры обеспечивают эффективный отвод тепла от поверхностей деталей. В данном случае они применяются для компенсации избыточного температурного воздействия. В том случае, если приведенные выше параметры не будут обеспечены, двигатель не будет выдавать ожидаемых от него характеристик.

Виды поршневых колец

В зависимости от своего назначения, поршневые кольца разделяются на такие виды:

  • компрессионные;
  • маслосъемные.

Ранее на поршнях старых двигателей с невысокими показателями мощности устанавливалось большое количество колец. Теперь, для большинства моделей авто используется по три кольца. Устанавливаются они в следующем порядке.

  1. Верхнее компрессионное. Оно имеет молибденовую противоизносную вставку.
  2. Второе компрессионное.
  3. Маслосъемное.

Маслосъемное кольцо состоит из трех частей. Это – верхняя и нижняя маслосъемные пластины, а между ними расположен тангенциальный расширитель.

Именно так выглядит набор поршневых колец для современных бензиновых двигатель. В зависимости от года выпуска автомобиля, могут применяться и другие комплекты деталей.

Компрессионные поршневые кольца предназначаются для уплотнения поверхностей поршня и цилиндра, они же предотвращают проникновение газа в камере сгорания и обеспечивают отвод тепла.

Эти виды деталей так или иначе отличаются друг от друга. Стоит учитывать и тот факт, что различные производители могут изменить конструкцию и материал колец, таким образом повышая их показатели прочности и улучшая работоспособность агрегата.

Материалы, применяемые для изготовления

Как уже было сказано, от материала данных деталей будет зависеть срок их службы и показатели производительности. Изготавливаться они могут из таких сплавов:

  • чугун. Его структура позволяет удерживать моторное масло, значительно увеличивая срок эксплуатации детали. Как правило, чугун покрывается хромом;
  • пластичный чугун, являющийся производной обычного чугуна. Материал сохраняет все основные свойства сплава, но при этом имеет хорошую способность к упругой деформации. Это значительно упрощает установку;
  • нержавеющая сталь стала применяться только в последнее время. В нее входит большее количество хрома, кроме того, она лучше чугуна переносит температурные нагрузки;
  • чугунные детали покрывают молибденом, что значительно увеличивает их эксплуатационные характеристики и продлевает срок службы. Именно чугунные детали с молибденовым покрытием в последнее время применяются чаще всего.

Верхнее компрессионное

Существует достаточно большое количество конфигураций этих деталей, но их различия уловить достаточно сложно. К примеру, иногда они имеют несколько перекрученную форму.

Основное назначение – это ускорение приработки поверхностей поршневых колец со стенками цилиндров. Если деталь имеет несколько перекрученную структуру, то его поверхности достаточно быстро уплотняются в канавке цилиндра.

Нижнее и маслосъемное

Второе компрессионное обычно имеет большее уплотнение с поверхностью канавки, и его основная функция состоит в том, чтобы не пропускать газы в камеру и предотвращать попадание масла в камеру сгорания. В противном случае может возникнуть детонация. Оно, по сути, нормирует количество масла между верхним компрессионным и маслосъемными кольцами.

Последнее полностью снимает масло с поверхности стенок цилиндра.

Инструменты для установки

Следует учитывать, что без применения специальных инструментов и при ручном разжатии деталей, их срок эксплуатации значительно сокращается. Для снятия старой детали и установки нового на цилиндр, применяется съемник поршневых колец. Он может иметь различную конструкцию:

Для того чтобы правильно установить поршневые кольца, необходимо соблюдать норму их прижатия к стенкам поршня. Для этого используется специальная оправка.

Оправка поршневых колец своими руками – достаточно распространенное приспособление. Сделать его можно по такой схеме:

Таким образом, установить поршневые кольца своими руками задача несложная и под силу каждому автолюбителю при соблюдении определенных правил.

На видео представлен обзор поршневых колец:

Взаимозаименяемость поршневых колец — Энциклопедия японских машин — на Дром

При ремонте двигателей автомобилей различных марок и моделей иногда возникают ситуации, когда нужной детали найти быстро не удается. Как правило, это означает, что нужно делать заказ, — и тогда требуемую деталь можно получить только через 5 — 12 дней из-за границы. В некоторых случаях подобный срок может оказаться нежелательным или даже неприемлемым. А есть ли способ найти альтернативные решения?

Оказывается, да, есть. По некоторым моторным деталям прослеживается явная аналогия их основных размеров у двигателей, выпускаемых или выпускавшихся различными фирмами. Например, поршневые кольца различных моделей двигателей в ряде случаев частично или полностью взаимозаменяемы. А это значит, что круг поисков существенно расширяется и вероятность найти нужные кольца значительно увеличивается. Тем более что номенклатура поршневых колец, выпускаемых различными фирмами, если не безгранична, то, по меньшей мере, огромна.

Конечно, «крутые» профессионалы, «фыркающие» при одном лишь виде детали, не имеющей «фирменной» упаковки компании-изготовителя автомобиля, могут обвинить автора в непрофессионализме и многих других смертных грехах. Так вот, этот материал — не для них. Лучше пусть займутся своим делом — заменой коленчатых валов, шатунов, блоков или головок цилиндров, которые они боятся ремонтировать, даже если те имеют незначительные дефекты. Для остальных же сообщаем некоторые подробности.

Основными размерами, по которым можно подобрать поршневые кольца, являются их высота и, конечно, диаметр цилиндра. Если найден вариант, имеющий такие же размеры, то с вероятностью 90 — 95% он подойдет. Но, чтобы быть уверенным на все 100% , нужно еще учесть следующее.

Читать еще:  Что такое 16 цилиндровый клапанный двигатель

— Радиальная ширина выбранных колец должна соответствовать канавкам поршня, то есть нужно, чтобы глубина канавок не оказалась слишком малой. В подавляющем большинстве случаев компрессионные кольца у различных двигателей имеют очень близкую радиальную ширину и практически всегда подходят, чего нельзя сказать о маслосъемных кольцах. Для последних вряд ли, например, удастся замена штатного наборного кольца с двухфункциональным расширителем на коробчатое (см. «АБС-авто», июль 1998 г.), которое имеет значительно большую ширину. Поэтому помимо размеров при подборе колец необходимо уточнить их конструкцию, а лучше всего — их радиальную ширину по специальным каталогам фирм-производителей колец (Federal Mogul, Goetze, Kolbensсhmidt, Perfect Circle и другие).

— Определенное значение имеют материалы и покрытие колец. Так, желательно, чтобы у найденных колец покрытие соответствовало оригиналу. Нарушение этого правила может привести к снижению их ресурса, а в некоторых случаях (например, при установке нехромированных колец в алюминиевые цилиндры, не имеющие твердого покрытия) — вообще к неработоспособности колец. Эти вопросы также можно уточнить по каталогам.

— Очень трудно подобрать кольца для дизелей. У многих моделей верхние кольца имеют молибденовое покрытие и трапецеидальный профиль, причем нередко с различными углами, а маслосъемные кольца, как правило, коробчатые (наборные ставит, пожалуй, только Ford). Эта информация может быть уточнена в каталогах фирм-производителей колец. Нецелесообразно также устанавливать на дизель кольца от бензиновых моторов, хотя обратная замена допустима.

Во всех случаях очень желательно, чтобы двигатель, кольца от которого использовались, имел примерно те же основные параметры, что и двигатель, на который эти кольца установлены. Речь идет в первую очередь об удельной (так называемой литровой) мощности и максимальной частоте вращения, определяющих степень форсирования двигателя. Очевидно, кольца от «тихоходного» мотора выпуска 20-30 летней давности вряд ли подойдут к современному многоклапанному двигателю с наддувом — не те окажутся материалы и покрытия, да и требования к геометрии колец могут быть разными. Так что эти факторы следует учитывать при подборе колец, когда нет точных каталожных данных по их материалу и покрытию. Но, в любом случае, кольца от более новых моделей при соответствии размеров подойдут к более старым.

Если найденные кольца удовлетворяют всем перечисленным выше условиям, ходить они будут ничуть не меньше штатных. Здесь приводится таблица с некоторыми вариантами возможной замены колец для различных моделей двигателей европейских, японских и американских автомобилей. Иногда подобные способы замены позволяют не только подобрать «дефицитные» кольца, но и заметно сэкономить, используя более дешевые аналоги (разу- меется, речь не идет о продукции сомнительного происхождения). Отметим также, что количество вариантов может быть существенно (в несколько раз) увеличено, если есть возможность доработки колец шлифованием их торцев. Но это тема отдельного разговора.

Диаметр
цилиндра,
мм
Высота
колец,
мм
Марка автомобиля / Модель двигателя
73.01.5-1.5-4.0
2.0-2.0-4.0
Nissan/E10
Mazda/TC
Toyota/2E
Nissan/A10, A12
Toyota/1A, 2A
74.01.5-1.5-4.0Honda/EV, EWMitsubishi/4G12
75.0
75.5
1.5-1.5-4.0
1.5-1.5-4.0
Honda/D13, D15, D16
Mitsubishi/4G15
Opel/1,3I
+0.5 Honda/D13, D15
Toyota/1G, 4K
0.5 Opel/13I

0.5 Toyota/1G, 4K
76.01.5-1.5-4.0
1.5-1.5-2.8
NIssan/E13, E15, E16
Diahatsu/CB

Nissan/GA16
0.5 Mitsubishi/4G15
77.0
78.0
1.5-1.5-4.0
1.5-1.5-4.0
Honda/EP, EK
Mazda/NA, VB
Mazda/UC
Nissan/CA16
80.0
80.5
1.75-2.0-3.0
1.5-1.5-4.0
2.0-2.0-4.0
Nissan/CD17
Mitsubishi/4G37, 4G62
Mitsubishi/4D56
0.5 VW/1X, 1Y
Toyota/1S
Toyota/12R
81.0
82.0
1.5-1.5-4.0
1.5-1.5-4.0
Honda/B18, B20
Ford(US)/114
Mazda/F6
General Motors/97, 98
+0.5 Mitsubishi/4G37, 4G62+0.5 Toyota/1S
83.01.5-1.5-4.0
2.0-2.0-4.0
Nissan/CA18
Nissan/L16,Z16, L24
Peugeot/XU5
Toyota/5M до 1982 г.
Toyota/5M, 7M
84.01.5-1.5-4.0
1.5-2.0-4.0
2.0-2.0-4.0
Toyota/4A, 21R
BMW/M20
Isuzu/G180,4ZB1
Toyota/21R-U
Mitsubishi/4G52
Toyota/1C
84.5
85.0
2.0-2.0-4.0
1.5-1.5-4.0
2.0-2.0-4.0
Nissan/CA20, LD28
Mitsubishi/4G63
Mitsubishi/4G63 до 1985 г.
+0.5 Isuzu/G180, 4ZB1
Nissan/Z20
Nissan/L18, LD20
+0.5+0.5 Mitsubishi/4652
Toyota 3T, 3T
+0.5 Toyota 1C
86.0

86.05

1.5-1.5-4.0
2.0-2.0-4.0
2.0-2.0-.4.0
Mazda/F8, FE, F2
Mazda/RF, R2
Opel/20D
Nissan/SR20
Nissan/2C, L28
+0.5 Mazda/RF, R2
Toyota/1Y, 2Y, 3Y, 3S

+0.5 Nissan/2C, L28

87.5
88.0
1.5-1.5-4.0
1.5-1.5-4.0
Crysler/135, 153
General Motors/258V8
Toyota/3VZ
Isuzu/4ZC1
+0.5 Toyota/5S
89.0
92.0
1.5-1.5-4.0
1.5-1.5-4.0
2.0-2.0-4.0
Ford(US)/183V6
General Motors/273V8
Opel/23D
General Motors/173V6
Subaru/EA71
Subaru/EA71 до 1982 г.
Isuzu/4ZD1

Volvo/B21

Александр Хрулев, кандидат технических наук,
http://www.ab-engine.ru

  • Перепечатка разрешается только с разрешения автора и при условии размещения ссылки на источник

Ремонт двигателя. Кольцевая дорожка

При ремонте и модернизации двигателя возникает вопрос, какие поршневые кольца установить. Чтобы не ошибиться, нужно хотя бы в общих чертах представлять себе условия работы колец и требования, которые к ним предъявляются

При ремонте и модернизации двигателя возникает вопрос, какие поршневые кольца установить. Чтобы не ошибиться, нужно хотя бы в общих чертах представлять себе условия работы колец и требования, которые к ним предъявляются.

Поршневые кольца делятся на компрессионные и маслосъемные. Первые уплотняют камеру сгорания и передают теплоту от поршня в блок (гильзу цилиндра). Вторые препятствуют попаданию масла в камеру сгорания.

Уплотнение компрессионными кольцами происходит за счет прижатия кольца к цилиндру силами упругости материала кольца и давления газов, проникающих из камеры сгорания в заколечное пространство через зазоры. При частичных нагрузках давление в камере сгорания уменьшается, и основное значение в уплотнении приобретают упругие свойства материала и форма кольца. Высокая температура, разумеется, снижает его упругость.

Надежность уплотнения зависит и от формы цилиндра (овальность, корсетность), препятствующей плотному прилеганию кольца к цилиндру. Кроме того, неровности сопрягаемых поверхностей, износ цилиндра в зоне остановки колец, износ поршневых канавок и соответствующих поверхностей колец вызывают их вибрацию в осевом и радиальном направлениях, что приводит к усталостному разрушению колец.

На первое поршневое кольцо приходятся самые большие нагрузки. Оно работает при температуре 180 — 210 °C, и поскольку масляный слой в зоне остановки поршня в верхней мертвой точке (ВМТ) практически отсутствует, в поверхностных слоях кольца, контактирующих с цилиндром, температура существенно выше — из-за трения. Увеличение теплового зазора между поршнем и цилиндром при износе вызывает качание поршня при перекладках в верхней и нижней (НМТ) мертвых точках, что придает боковой поверхности кольца бочкообразную форму. Это помогает его всплытию на масляном слое в средней части цилиндра.

Второе кольцо работает в более благоприятных условиях, поскольку температура поршня в его зоне значительно ниже (150 — 170 °C), горячих газов меньше, а масляный слой толще.

Маслосъемное кольцо меньше подвержено тепловым нагрузкам, однако оно должно регулировать подачу масла к компрессионным кольцам так, чтобы его хватало для смазки, но в камеру сгорания проникало как можно меньше.

На долю поршневых колец приходится 40 — 50% всех механических потерь на трение в двигателе, причем на первое компрессионное кольцо — 60%, на второе — 30%, на маслосъемное — 10% затрат энергии на трение колец.

Компрессионные кольца бензиновых двигателей обычно изготавливают из специальных марок чугуна, изредка — из стали (например, кольца диаметром 100 мм для ЗИЛов и УАЗов). Первое компрессионное кольцо, как правило, прямоугольной формы, но в некоторых случаях на внутреннем диаметре делается довольно большая фаска, создающая напряжение изгиба кольца и улучшающая съем масла. Такая конструкция принята на «москвичевских» кольцах, а также на изготовленных фирмой Goetze для «Волг» и УАЗов (и подходящих для ГАЗ-53). При установке зарубежных колец необходимо обращать внимание на их правильное положение — верх определяется по надписи «ТОР».

Наружная рабочая поверхность кольца должна иметь покрытие из хрома, обладающего необходимой твердостью и низким коэффициентом трения. Высокая температура плавления хрома не дает произойти «схватыванию» материалов кольца и цилиндра при отсутствии масла в зоне остановки кольца. Хромовое покрытие должно быть толщиной не менее 0,1 мм (без приборов толщину покрытия можно увидеть на фаске на торце в замке кольца, правда, на отечественных кольцах фаска, как правило, отсутствует или завалена, т.к. делается вручную; за рубежом эта операция выполняется на специальных шлифовальных станках, вследствие чего фаска чистая, хорошая, и видна толщина хрома).

Хром должен иметь матовый цвет, получаемый при соответствующей гальванической обработке. Это так называемый «пористый» хром, который несколько мягче жесткого, блестящего, лучше прирабатывается и удерживает в микропорах масло, отчего снижаются трение и износ покрытия.

В процессе работы покрытие все равно изнашивается, поэтому чем оно толще (в определенных пределах), тем дольше служит. (Здесь возникает вопрос о различных противоизносных, металлоплакирующих и антифрикционных добавках в масло, но это тема другого разговора.) Износ хромового покрытия вызывает повышение трения кольца, ускоренный износ основного металла кольца, снижение компрессии и увеличение расхода масла.

Торцы кольца в замке должны быть ровными и хорошо прилегающими друг к другу при сжатии кольца, фаска — маленькой и аккуратной. При несоблюдении этих требований увеличивается прорыв горячих газов в зоне стыка, вызывающий местный перегрев и повышенный износ кольца. В случае общего перегрева поршня (например, при перегреве двигателя) возможно исчезновение теплового зазора в замке и, как следствие, задиры и поломки кольца и цилиндра.

Остальные поверхности кольца чаще всего бывают фосфатированы. Это противоизносное и антикоррозионное покрытие должно быть глубоким, что определяется по плотному черному цвету, без просветов основного металла.

Возможны и другие виды покрытий рабочей поверхности, например, молибденовые — снижающие трение, термостойкие (молибден выдерживает температуру до 2620 °C), а также металлокерамические и керамические, наносимые в вакууме или газовых средах с помощью плазменных технологий. Такие покрытия в массовом производстве встречаются достаточно редко и только за рубежом.

При замене колец без ремонта блока или гильз применяются кольца без хрома, т. к. он плохо прирабатывается к поверхности с высокой чистотой, образующейся при длительной работе колец. Если хромированные кольца устанавливаются в работавший цилиндр, то при обкатке двигателя применяются специальные масла, обеспечивающие ускоренную приработку в первую очередь поршневых колец.

Второе компрессионное кольцо решает две задачи: уплотнения зазора между поршнем и цилиндром от газов, проникших за первое кольцо; снятия масла, проникшего за маслосъемное кольцо (не полностью, а пропустив его в количестве, необходимом для смазки первого кольца, то есть деталь играет роль и компрессионного, и маслосъемного колец).

Это кольцо работает при более низких температурах и наличии достаточного количества масла на трущейся поверхности, поэтому в бензиновых двигателях, как правило, рабочая поверхность кольца не покрывается хромом — оно целиком фосфатируется или покрывается каким-либо другим противоизносным слоем, например, оловом. Материал кольца практически у всех производителей — специальный чугун.

Для выполнения маслосъемной функции рабочая поверхность кольца имеет проточку с острой кромкой или делается в форме конуса с очень малым углом (так называемое «минутное» кольцо, которое также может иметь проточку на рабочей поверхности или на внутренней — вызывающую искривление кольца и образование на рабочей поверхности острой кромки). Cпецифическая форма кольца требует его правильной установки на поршень. «Минутные» кольца для бензиновых двигателей, более сложные и дорогие, наша промышленность не выпускает. За рубежом делают кольца всех типов.

Сравнивая особенности конструкции второго компрессионного кольца, т.е. способы образования маслосъемной кромки, можно отметить положительный момент у колец с наружной проточкой и «минутных»: у них, по сравнению с кольцами, имеющими проточку на внутренней поверхности, не искажаются плоскости прилегания кольца к сопрягаемым поверхностям канавок поршня. Благодаря этому канавка не деформируется, улучшается теплоотвод от поршня и повышается ресурс цилиндропоршневой группы.

Окончательно конструкцию кольца можно подобрать только опытным путем, проводя ресурсные испытания. Обращаясь к опыту ведущих мировых производителей, можно сказать, что они чаще применяют «минутные» кольца с проточкой или без нее. У нас для «Волг» продаются кольца фирмы Goetze «минутного» типа. Для ВАЗов применяется второе компрессионное кольцо прямоугольной формы с проточкой по рабочей поверхности. При выборе комплекта колец нужно обратить особое внимание на стык и покрытие, как было указано выше.

Перейдем к маслосъемному кольцу. Из всего комплекта колец оно работает в наиболее легких условиях — как по температуре, так и по условиям смазки. Его задача — регулировать количество масла, поступающего к компрессионным кольцам, обеспечивая смазку первого компрессионного кольца, но не допуская при этом излишнего поступления масла в камеру сгорания.

Чаще всего используются два конструктивных исполнения кольца — коробчатого типа и сборной конструкции.

Коробчатое кольцо изготавливают из чугуна. Оно имеет на рабочей поверхности два пояска, снимающих масло с поверхности цилиндра. Пояски бывают различной формы, например, прямоугольные (двигатель типа 412) или трапециевидные с разным направлением уклона.

Для увеличения жесткости кольца, повышающей степень съема масла, внутри устанавливают пружинный расширитель.

Кольцо сборной конструкции состоит из двух стальных колец, которые удерживаются в канавке расширителями различной конструкции. Каждое из колец работает в какой-то степени независимо друг от друга, повышая тем самым маслосъемные свойства этого типа конструкции. Однако при износе хромового покрытия на рабочей кромке происходит резкое увеличение коэффициента трения при контакте стального кольца с чугуном цилиндра в зоне остановки кольца в ВМТ и НМТ, и там появляется ступенька, приводящая к вибрации кольца и прогрессирующему износу кольца и цилиндра, а в зоне ВМТ — еще и компрессионных колец (на этот сложный процесс значительное влияние оказывают свойства масла и его температура).

Коробчатое кольцо такого дефекта не имеет, т. к. изготавливается из чугуна (коэффициент трения пары «чугун-чугун» равен 0,15, а пары «сталь-чугун» — 0,18). При износе хромового покрытия это кольцо меньше изнашивает цилиндр и не создает уступа, как стальное.

Вне зон ВМТ и НМТ, когда увеличивается скорость поршня, происходит всплытие колец на масляной пленке, пропадает контакт колец с поверхностью цилиндра. Износ исчезает, что хорошо видно при осмотре поверхности цилиндра.

Для двигателей, имеющих небольшую наработку (как правило, у машин, находящихся в личном пользовании), конструкция маслосъемного кольца безразлична, здесь решающим фактором является качество хромового покрытия. А вот для двигателей с большой наработкой (у автомобилей, используемых в коммерческих целях) более предпочтительно использование маслосъемных колец коробчатого типа.

Остальные поверхности маслосъемного кольца, как правило, фосфатируются.

General Motors, Volkswagen, Mercedes-Benz, Fiat, BMW, Chrysler, Porsche чаще применяют в двигателях легковых машин коробчатые кольца, Ford и Renault — сборные. В зависимости от задач применяются как коробчатые, так и сборные и другие виды маслосъемных колец.

Для дизелей применяются только коробчатые маслосъемные кольца. В связи с повышенной теплонапряженностью дизельной цилиндропоршневой группы необходимо еще более тщательно контролировать качество используемых деталей. Здесь доверие «левшам» стоит значительно дороже.

После замены колец наступает важный момент — обкатка двигателя. В это время пара трения «кольцо-цилиндр» требует особого внимания, т.к. поверхность кольца, покрытая хромом (особенно хромом низкого качества), усиленно снимает поверхностный слой цилиндра, где при окончательной обработке нанесены риски для создания маслоудерживающей сетки.

В нашей стране и за рубежом давно применяются различные обкаточные масла или добавки в рабочие масла, способствующие ускоренному созданию микрорельефа со сглаженными вершинами (за счет физико-химических реакций в наиболее нагруженных зонах). Конечно, необходимо тщательно соблюдать требования производителей масел и добавок.

Оптимальная поверхность, без выступающих элементов, испытывает меньшие контактные нагрузки. По ней более равномерно распределяется масляная пленка, выдерживающая большие давления, которые возникают во время работы. Таким образом, ускоренная приработка колец и поверхности цилиндра — залог увеличенного ресурса двигателя.

Мы рассмотрели лишь основные моменты работы колец. Многофакторность функционирования системы «поршень-кольца-масло-температура двигателя-тип рабочего процесса» требует анализа работы каждого элемента в различных условиях эксплуатации.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector