Поршневые кольца являются основными деталями поршневой группы, уплотняющими цилиндр как от про­рыва газов из надпоршневой полости, так и от излишнего проникновения масла в камеру сгорания.

Уплотняющие кольца в общем случае представляют собой раз­резные пружинящие элементы 2 прямоугольного сечения, которые устанавливают в сделанные для них канавки на поршне. В свобод­ном состоянии, когда разрезанные концы поршневых колец расхо­дятся на величину S₀, они имеют переменный радиус кривизны, среднюю величину которого делают больше радиуса уплотняемого ими цилиндра (рисунок а). Правильно изготовленные поршневые кольца относительно свободно одеваются на поршень, а будучи установлены в цилиндр, для которого они предназначены, должны принимать геометрически строгую круглую форму, плотно (без просветов) прилегать к стенкам цилиндра и оказывать на них ради­альное давление по всей своей окружности.

Радиальное давление поршневых колец различного назначения в среднем составляет 1—4 кГ/см2 (≈0,1—0,4 Мн/м²). В зависимости от метода изготовления кольца оказывают на стенки цилиндра или равномерное давление, или же давление их изменяется по опреде­ленной закономерности, как показано на рисунке б. Установлено, что неравномерная определенным образом скорректированная эпюра давлений 5 позволяет дольше сохранять необходимые упругие свойства и эффективность поршневых колец, чем при равномерном, характеризуемым эпюрой 6, начальном давлении их на стенки цилиндра.

Основные элементы поршневых колец показаны на рисунке. Наружную их образующую поверхность 1, скользящую по зеркалу цилиндра, часто называют рабочей стороной кольца, но логичнее ее называть просто наружной стороной, поскольку она не является единственной рабочей поверхностью кольца. Соответственно, внут­реннюю образующую поверхность 3 кольца будем называть внут­ренней стороной. Торцовые или боковые поверхности 4 соприка­саются со стенками канавок поршня и тоже являются рабочими (трущимися) поверхностями кольца, оказывающими существенное влияние на его эффективность. Расстояние между боковыми поверх­ностями кольца называют высотой кольца h. Величину разности между радиусами наружной и внутренней образующими кольца называют радиальной толщиной t (рисунок в). Радиальная толщина кольца выбирается в зависимости от размера цилиндра и в среднем равна 1/20 его диаметра.

Уплотняющие поршневые кольца изготовляют так, чтобы в ци­линдре с диаметром Dц у них сохранялся определенный зазор между разрезанными концами. Разрезы или замки кольца делают прямыми (перпендикулярно к боковым поверхностям), косыми (под углом 45° к боковым поверхностям) и ступенчатыми (рисунок г). Замки с косыми и ступенчатыми разрезами имеют целью умень­шить прорыв газов через зазор в замке кольца. В быстроходных двигателях эффективность сложных замков небольшая, а произ­водство они удорожают, поэтому в автомобильных двигателях при­меняют замки с прямыми разрезами, величина которых AS в холод­ном состоянии изменяется в пределах 0,15—0,5 мм. Чем ближе к днищу поршня расположено кольцо, тем выше температура его нагрева, и оно изготовляется с большим зазором в замке. Величина зазора в стыке сжатого кольца в каждом конкретном случае строго регламентируется инструкцией завода-изготовителя. При недо­статочном зазоре в стыке кольцо утрачивает свободу перемещения.

Оно может повредить зеркало цилиндра и само выйти из строя вследствие задиров, заклинивания в канавке или поломки.

Уплотняющие кольца и канавки под них тщательно обрабаты­ваются. Кольцо, поставленное в канавку поршня, должно свободно без заедания перемещаться в нем при зазорах 0,04—0,08 мм между боковыми поверхностями кольца и стенками канавки. Глубина канавки под кольцо протачивается из условий получения зазора Δt между канавкой и внутренней стороной кольца, составляющего в среднем 0,5 мм.

Условия работы поршневых колец сложные: большая скорость скольжения по зеркалу; недостаток смазки в верхней зоне цилиндра; высокое тепловое напряжение, возникающее от соприкосновения с горячими газами, а также вследствие нагрева при трении о зерка­ло цилиндра и от тепла, поток которого идет через них от головки поршня к стенкам цилиндра. Известно, что на долю поршневых колец приходится 50—60% всех потерь на трение в двигателе, и примерно 80% тепла они отводят от головки поршня в условиях, когда теплоотвод затруднен сравнительно высокой температурой стенок цилиндра и наличием на них масляной пленки. В результате рабочая температура верхних поршневых колец, особенно в зоне замка, возрастает до 300—350°С. Поэтому к материалу поршневых колец предъявляются повышенные требования.

Материал, употребляемый для изготовления поршневых колец, должен обладать высокой прочностью и упругостью при повышен­ных температурах, а также высокой износостойкостью и малым коэффициентом трения при рабочей температуре кольца.

Лучше всего этим условиям отвечает чугун. Для поршневых колец применяют перлитный высокосортный чугун с твердостью НВ 220—240 (единиц), но в последнее время широкое приме­нение находит и сталь. Стальные кольца имеют большую твердость, чем обычные гильзы цилиндров, которые часто отливаются из чугу­на с твердостью около НВ 200. Практика показала, что для увели­чения срока службы важнейшей трущейся пары в двигателе цилиндр — поршневое кольцо, твердость кольца всегда должна быть выше твердости стенок цилиндра.

Дело в том, что сравнительно с цилиндрами кольца имеют очень маленькую поверхность трения и работают при большей темпера­туре нагрева, отрицательно влияющей на их твердость и износо­стойкость. Если допустить, что в процессе трения с рассматривае­мых контактирующих поверхностей снимается одинаковое по весу количество металла, то кольца раньше утратят свою геометриче­скую форму и работоспособность, чем зеркало цилиндра. Действи­тельно, поршневые кольца изнашиваются интенсивнее гильз и чаще других деталей кривошипно-шатунного механизма нуждаются в за­мене. Изнашиваются кольца крайне неравномерно. Больше всего радиальная толщина их уменьшается на участках, непосредствен­но примыкающих к замку. Этим, в частности, объясняется и выбор для них эпюры с характерной неравномерностью исходных упругих давлений кольца на стенки цилиндра (см. рисунок б).

Поршневые кольца не могут обладать универсальными свойст­вами: одновременно сдерживать прорыв газов и прокачку масла. Опыт показывает, что кольца, создающие преграду прорыву газов из надпоршневой полости, не оказывают должного эффективного препятствия прокачке масла в камеру сгорания. Вследствие этого на поршень устанавливают уплотнительные кольца двух видов: компрессионные и маслосъемные, или маслоотводные.

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