Поршневая группа: поршневые компрессионные кольца
Техническая информация

Компрессионные поршневые кольца  предот­вращают прорыв, т.е. утечку газов из надпоршневой полости, поддерживают давление или, как говорят, компрессию в цилиндре. По особенностям конструкции их подразделяют на: прямоуголь­ные, конусные, скрученные, клиновидные, комбинированные и ви­тые (рисунок). 

Кольца прямоугольного сечения являются наиболее простыми (см. рисунок а). Однако, имея сравнительно широкую контактную поверхность, они с трудом прирабатываются к цилиндрам и плохо приспосабливаются к зеркалу в случае замены износившихся колец новым комплектом (В эксплуатации промежуточную смену изношенных колец делают без расточки цилиндров, если конусность и овальность их стенок находится в допустимых пределах).

 

 

Необходимость приработкиколец вызывается наличием зазоров-просветов между стенками цилиндра и наружнойобразующей кольца, которые при всей тщательности обработки практически всегдаимеют место. Если при опробовании в специальном калибре величина просвета непревышает 0,02мм,ано окружности соизме­рима с дугой в 30°, то поршневое кольцо считают пригодным.Оче­видно, чем больше просветы и шире наружная образующая кольца, темдлительнее бывает период приработки кольца, обеспечивающий полноесоприкосновение его с зеркалом цилиндра.

 

Конусные кольца характеризуются тем, что наружная сторона выполняется в виде усеченного конуса под углом в 0,5—3° к парал­лельным между собой боковым поверхностям (см. рисунок б). Такие кольца несколько удорожают производство, но зато сравнительно быстро прирабатываются к цилиндрам и лучше приспосабливаются к возможным неровностям зеркала, поскольку соприкасаются с ним только узким пояском. При установке конусного кольца в цилиндр надо следить, чтобы меньшее основание конуса было обращено в сторону днища поршня. Тогда при ходе поршня к н.м.т. кон­тактный поясок кольца будет соскабливать (собирать) масло со сте­нок цилиндра, а при ходе к в.м.т. образующийся масляный клин отжимает его от зеркала. Это улучшает смазку верхней зоны стенок цилиндра и поршневых колец и уменьшает возможное проникнове­ние масла в камеру сгорания.

 

Конусные поршневые кольца используются, например, в двига­телях ЗИЛ-130 и В-2 в качестве третьего и соответственно третьего и четвертого компрессионных колец.

 

Поршневые кольца с несимметричным сечением показаны на рисунке в. От прямоугольных они отличаются только тем, что на внутренней или наружной их стороне делают проточку (с внут­ренней стороны проточка заменяется иногда фаской).

 

Кольца с нарушенной симметрией сечения, имеющие проточку на образующей внутренней стороне, при установке в цилиндр несколько закручиваются, вследствие чего наружная образующая у них принимает форму усеченного конуса, как показано на рис. 2, в. Такие кольца называются скрученными, или торсион­ными. Они позволяют сочетать достоинства прямоугольных (про­стоту изготовления) и конусных колец, поэтому широко приме­няются в двигателях автомобильного типа. В частности, они исполь­зуются для всех отечественных карбюраторных двигателей.

 

Несимметричные поршневые кольца с проточкой по наружной стороне имеют повышенное радиальное давление па стенки цилинд­ра, что улучшает их работоспособность.

 

При одевании на поршень несимметричных поршневых колец надо следить, чтобы проточка па внутренней стороне была обра­щена к днищу поршня, а наружная проточка — в сторону юбки.

 

Клиновидные или трапецеидальные кольца выполняются с непа­раллельными боковыми поверхностями, наклоняемыми друг к другу под углом примерно равным 5—10° (см. рисунок г). Сравнительно с другими они более сложны в производстве, причем в процессе износа зазоры у боковых поверхностей их прогрессивно возрастают. Однако эти серьезные недостатки полностью компенсируются тем, что клиновидные кольца хорошо сохраняют свою подвижность в канавке поршня в холодном состоянии, так как не склонны к закоксовыванию (пригоранию) и залеганию в канавке вследствие осмо-ления. Под действием газовых сил на боковые наклонные поверх­ности у них появляется горизонтальная составляющая сила (см. рисунок г), увеличивающая давление кольца па стенки цилинд­ра, что приобретает важное значение по мере износа колец и стенок канавки.

 

Клиновидные поршневые кольца чаще всего используются в каче­стве верхних компрессионных колец тракторных дизелей, где вероятность закоксовывания обычных колец бывает особенно высо­кой.

 

На автомобильных V-образпых дизелях ЯА13-236 и ЯД\3-238 применяются по три клиновидных кольца, у которых боковая (торцовая) поверхность, обращенная в сторону юбки, выполняется перпендикулярно к образующим поверхностям кольца (см. рисунок г). При одной наклонной боковой поверхности изготовление клино­видных колец несколько упрощается, а основное их достоинство — подвижность кольца в канавке поршня сохраняется.

 

Комбинированные поршневые кольца состоят из обычных пря­моугольных чугунных колец 3, двух стальных пластинчатых колец 1 и радиального расширителя 2 (см. рисунок д). Стальные пластин­чатые кольца, кроме функций уплотнения, уменьшают также износ стенок канавки поршня, а радиальный расширитель обеспе­чивает нужное давление колец на стенки цилиндра, вследствие чего они дольше сохраняют свою работоспособность.

 

Радиальные расширители или экспандеры изготовляют из тон­кой стальной ленты, которой придают форму многоугольника, как показано на рисунке, д. Такая пружина, установленная в канав­ку поршня за кольца, поджимает их к стенкам цилиндра, обеспе­чивая нужное радиальное давление. Кольца с расширителями обычно не применяют в качестве верхних компрессионных колец, поскольку последние подвержены сравнительно высокому нагреву, снижающему упругость экспандеров. Комбинированные поршне­вые кольца из-за громоздкости не получили большого распростра­нения.

 

Витые кольца, показанные на рисунке е, изготовляют из тонкой высокоуглсродистой стальной полированной ленты. Лента толщи­ной 0,7 мм навивается на ребро в специальном приспособлении в виде непрерывной спирали, которая разрезается потом на отдель­ные кольца. Кольцам придают тарельчатую форму, как показано на рисунке е, и ставят в канавку поршня в виде пакета, состоящего минимум из трех таких элементов со смещенными относительно друг друга замками. Кольца ставятся в канавку с некоторым натягом, что исключает осевое перемещение их относительно поршня и обеспечивает необходимое радиальное давление на стенки цилинд­ра. Установленные в цилиндр, они должны иметь строго цилин­дрическую форму, прилегать к стенкам без просветов и оказывать на них по возможности равномерное давление.

 

Преимущества стальных витых колец заключаются в том, что отдельные'тонкие элементы, составляющие пакет, лучше прилегают к стенкам цилиндра, чем поставленное в эту канавку одно чугунное кольцо. На контактной поверхности со стенками цилиндра тонкие пластинки образуют кольцевые канавки, в которых накапливается масло, вследствие чего обеспечивается падежная смазка трущихся поверхностей и улучшается уплотнение цилиндра. К тому же перекрытие замков и плотное прилегание тонких тарельчатых колец к торцовым стенкам канавки поршня способствует умень­шению прокачки масла в камеру сгорания.

 

Витые стальные кольца рекомендуется устанавливать в нерас-точенные цилиндры вместо изношенных чугунных колец при ремон­те двигателей. Иногда применяют их и для новых двигателей. К сожалению, они не могут быть использованы в качестве верхних компрессионных колец, поскольку в условиях повышенного нагрева утрачивают упругость и вследствие ограниченной контактной поверхности с зеркалом цилиндра не обеспечивают нужной интен­сивности отвода тепла от головки поршня.

 

В двигателях с принудительным зажиганием в цилиндры уста­навливают по 2—3 компрессионных кольца, а дизели, работающие с более высокими давлениями в цилиндре и самовоспламенением рабочей смеси, нуждаются в большем числе компрессионных колец. В быстроходных дизелях автомобильного типа ставят 3—4 кольца, а в тихоходных число компрессионных колец доводят до 5—6 на пор­шень. Иначе из-за утечки воздуха при пуске холодного двигателя в конце хода сжатия в цилиндре не удается обеспечить необходимый для самовоспламенения топлива нагрев рабочей смеси.

 

Компрессионные кольца современных автомобильных двигате­лей имеют высоту h, равную примерно 2—3 мм. С увеличением h возрастают потери на трение и ухудшается приспособляемость колец к зеркалу цилиндра, а с уменьшением h ухудшается тепло-отвод от головки поршня и увеличивается вероятность поломки колец при сборке. Высоту кольца выбирают сообразно с этими обстоятельствами.

 

Эффективность действия компрессионных колец предопределяет­ся не только хорошим прилеганием их к стенкам цилиндра. Уста­новленные в канавки поршня, они образуют «лабиринт», ограничи­вающий прорыв газов из цилиндра через систему зазоров, обяза­тельных для его уплотнительного механизма. При сжатии, расширении и выпуске газы через торцовые зазоры и замки проникают вначале за верхнее поршневое кольцо, а когда на ходе впуска оно прижимается к верхней стенке поршневой канавки, перетекают в пространство между первым и вторым кольцами! Таким же образом газы проникают за второе, третье и другие кольца, постепенно утрачивая свое давление вследствие дроссе­лирующего действия зазоров. Установлено, что в процессе работы быстроходных двигателей давление за кольцами составляет при­мерно 3/4 от давления Р в цилиндре за первым (верхним), 1/5 за вто­рым и около 1/10 за третьим компрессионными кольцами. Это значительно превышает собствен­ное их радиальное давление.

 

Практика показывает, что эффективность лабиринтного уплотнения во многом зависит от тщательности обработки боко­вых (торцовых) поверхностей поршневых колец. Поэтому боко­вые поверхности колец подвер­гают многократной шлифовке, чтобы обеспечить их параллель­ность и высокую чистоту обра­ботки, тогда как обработку на­ружной образующей кольца ограничивают чистовым (алмазным) обтачиванием. Если при ремонте двигателя возникает необходимость в некотором уменьшении высоты кольца, то металл надо снимать только с одной боковой поверхности и следить за тем, чтобы при сборке поршневой группы эта поверхность была обращена в сторону днища поршня. Иначе работа лабиринтного уплотнения будет нарушена.

Для уменьшения прорыва газов через замки колец последние должны быть смещены относительно друг друга и при сборке дви­гателя равномерно распределены по окружности цилиндра. Порш­невые кольца в процессе работы, как известно, проворачиваются (перемещаются) по канавке и это оказывается полезным для сохра­нения обязательной их подвижности в канавке, а вероятность нежелательного при этом совмещении замков ничтожна. Поэтому к фиксации поршневых колец прибегают только в двухтактных двигателях, где замки во избежание поломки колец не должны попадать в продувочные и выпускные окна цилиндра.

 

 

Источник: Райков И.Я., Рытвинский Г.Н. Двигатели внутреннего сгорания, 1971 г.

 

РЕКЛАМА

Новое на сайте