Почему поршневой палец называют плавающим
Перейти к содержимому

Почему поршневой палец называют плавающим

  • автор:

Поршневой палец

По условиям кинематической схемы кривошипно-шатунного механизма, преобразующего возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение, необходимо чтобы обе головки шатуна были подсоединены шарнирно. Поршневой палец является осью качания шатуна в соединении с поршнем. Через поршневой палец передаются все силы, возникающие между поршнем и шатуном. К этим силам относятся сила инерции, возникающая при изменении направления движения поршня, сила давления сжимаемой в цилиндре двигателя воздушно топливной смеси или воздуха в дизельном двигателе при сжатии и, главное, сила давления расширяющихся газов во время рабочего такта.

Поршневой палец относится к деталям двигателя, совершающим возвратно-поступательное движение во время работы. Конструкторы двигателей всеми способами стремятся уменьшить вес таких деталей. Но, как отмечалось ранее, через поршневой палец передаются очень большие силы. Поэтому размер (диаметр) пальца, конструкция, технология и материал изготовления пальца, с учётом себестоимости массового изготовления, это результат принятия сложного компромиссного инженерного решения.

Во время работы двигателя на поршневой палец действуют изгибающие усилия и усилия среза. Под воздействием этих усилий поршневой палец может принять недопустимую овальность, в результате которой возможно заклинивание поршня в поршневой головке шатуна или в бобышках поршня. Овальность поршневого пальца может привести к появлению трещин в бобышках поршня и последующему разрушению поршня.
Внутреннее отверстие пальца массовых двигателей цилиндрической формы, поскольку такой палец имеет самую низкую себестоимость изготовления. В двигателях, в которых стоимость изготовления не играет решающего значения, по сравнению с качественными показателями, для облегчения веса пальца, внутреннее отверстие изготавливается в виде двух конусов, сужающихся к середине пальца. На эпюре нагрузки, приложенной к поршневому пальцу, видно, что, усилие, приложенное к центру поршневого пальца, значительно меньше усилия, приложенного к его концам.
На современных автомобильных двигателях наибольшее распространение нашли плавающие пальцы.
Фиксированным называется поршневой палец, который не вращается в одном из соединяемых элементов за счёт установки с тугой посадкой или в верхней головке шатуна или в отверстиях бобышек поршня.
Тугая посадка поршневого пальца в одном из элементов обеспечивает осевую фиксацию пальца.
В старых автомобильных и стационарных двигателях палец в верхней головке шатуна вообще крепился при помощи разрезной втулки и стяжного болта, но в настоящее время в автомобильных двигателях такой способ крепления поршневого пальца не применяется.
Чаще фиксированное соединение обеспечивается в верхней головке шатуна. При этом вращение пальца осуществляется в отверстиях бобышек поршня.
поршневого пальца обеспечивается за счёт установки пальца в верхней (поршневой) головке шатуна с натягом 0,01 ÷ 0,042 мм. При этом в соединении пальца с бобышками поршня, для обеспечения шарнирного соединения, устанавливается необходимый зазор. Это наиболее дешёвый способ фиксации пальца в массовом производстве. В этом случае во время ремонта двигателя при сборке шатунно-поршневой группы возникает необходимость нагрева шатуна до достаточно высокой температуры. В двигателях с фиксированным поршневым пальцем бронзовая втулка в поршневую головку шатуна не устанавливается.
Плавающим называется палец, установленный с необходимым зазором, и в верхней головке шатуна, и в бобышках поршня.
В этом случае осевая фиксация поршневого пальца осуществляется за счёт стопорных колец, устанавливаемых в специальные проточки в бобышках поршня.
Во время работы плавающий палец вращается и в головке шатуна и в бобышках поршня. При таком соединении необходимо обеспечить рекомендованный зазор как между пальцем и бобышками поршня, так и между пальцем и втулкой поршневой головки шатуна. В двигателе с плавающим поршневым пальцем для уменьшения трения в поршневую головку шатуна устанавливается бронзовая втулка. Из-за различного температурного коэффициента расширения материалов, из которых изготовлены шатун, поршневой палец и поршень эти зазоры различны.
При комнатной температуре во втулку верхней головки шатуна палец должен входить плотно без люфта и качания. А в бобышки поршня, в холодном состоянии, поршень должен входить с небольшим натягом.
Поэтому перед снятием или установкой плавающего пальца поршень необходимо нагреть в воде до температуры 60º ÷ 85º С.

Палец поршневой: прочная связь поршня и шатуна

В любом поршневом двигателе внутреннего сгорания присутствует деталь, соединяющая поршень с верхней головкой шатуна — поршневой палец. Все о поршневых пальцах, их конструктивных особенностях и способах установки, а также о верном подборе и замене пальцев различных типов подробно рассказано в статье.

Что такое поршневой палец

Палец поршневой (ПП) — компонент поршневой группы ДВС; стальной полый цилиндр, с помощью которого осуществляется шарнирное соединение поршня и шатуна.

В поршневых двигателях внутреннего сгорания передача и преобразование сил, возникающих при сгорании топливно-воздушной смеси в цилиндре, осуществляется поршневой группой и кривошипно-шатунным механизмом. К основным деталям этих систем относятся поршень и шатун, имеющие шарнирное соединение, благодаря которому достигается возможность отклонения оси шатуна от оси поршня при его между верхней и нижней мертвыми точками (ВМТ и НМТ). Реализуется шарнирное соединение поршня и шатуна с помощью простой детали — поршневого пальца.

Поршневой палец решает две ключевые задачи:

  • Выступает в качестве шарнира между поршнем и шатуном;
  • Обеспечивает передачу сил и моментов от шатуна на поршень при запуске двигателя и от поршня на шатун при работе двигателя.

То есть, ПП не просто связывает поршень и шатун в единую систему (в которую также входит коленчатый вал), но и вообще обеспечивает согласованную работу поршневой группы и кривошипно-шатунного механизма двигателя. Поэтому любые неисправности или износ пальца негативно сказываются на работе всего силового агрегата, требуя скорейшего ремонта. Но прежде, чем покупать новые поршневые пальцы, следует разобраться в их конструкции и некоторых особенностях.

Типы, устройство и характеристики поршневых пальцев

Типичная конструкция поршня с шатуном

Все используемые в настоящее время поршневые пальцы имеют принципиально одинаковую конструкцию: в общем случае это полый стальной стержень с относительно тонкими стенками, установленный в бобышках поршня и верхней головке шатуна. На торцах пальца снимаются фаски (наружная и внутренняя), которые обеспечивают простой монтаж детали в поршень или шатун, а также предотвращают повреждение других деталей при случайном контакте с ними.

При этом в пальцах могут выполняться различные вспомогательные элементы:

  • Вывод внутренних стенок в конус от центра наружу с целью облегчения пальца с сохранением его прочности;
  • Внутренние кольцевые пояски в центральной части пальца для его упрочнения;
  • Боковые поперечные отверстия для жесткой фиксации пальца в бобышке поршня.

Поршневые пальцы изготавливаются из мягких конструкционных углеродистых (15, 20, 45 и других) и некоторых легированных (обычно хромистых 20Х, 40Х, 45Х, 20ХНЗА и иных) сталей. Наружная поверхность и небольшой поясок на торце деталей из малоуглеродистых сталей подвергается цементации и закалке на глубину до 1,5 мм до достижения твердости 55-62 HRC (при этом внутренний слой имеет твердость в пределах 22-30 HRC). Детали из среднеуглеродистых сталей обычно закаливаются токами высокой частоты. После термической обработки наружная поверхность ПП подвергается шлифовке. Закалка детали обеспечивает высокую устойчивость ее наружной поверхности к износу, при этом вязкость внутренних слоев стенки сохраняет способность пальца противостоять ударным нагрузкам и вибрациям. Шлифовка поверхности устраняет зоны с опасными напряжениями, которые во время работы двигателя могут привести к появлению задиров, наклепов или даже разрушения деталей.

Как уже указывалось, поршневой палец располагается в поршне и верхней головке шатуна, соединяя эти детали в одну систему. В поршне под данную деталь предусмотрено два расширения с поперечными отверстиями — бобышки. Существует два конструктивных варианта шарнира между поршнем и шатуном:

  • С «плавающим» пальцем;
  • С запрессованным в шатун пальцем.

Наиболее просто реализуется вторая схема: в этом случае ПП запрессовывается в верхнюю (неразъемную) головку шатуна, что предотвращает его осевое смещение, а в бобышках поршня он располагается с некоторым зазором, что обеспечивает возможность проворачивания поршня относительно ПП во время работы силового агрегата на всех режимах. Также зазор обеспечивает смазку трущихся деталей (хотя из-за малого зазора палец и контактирующие с ним поверхности бобышек всегда работают в режиме недостаточной смазки). Такая схема применялась на отечественных автомобилях ВАЗ-2101, 2105, 2108, широко она используется и на современных моделях иностранного производства.

Фиксированный и плавающий поршневые пальцы

Схема с «плавающим» пальцем более сложна, так как она имеет несколько вспомогательных деталей. В такой схеме ПП с малым зазором устанавливается в обе детали — и в бобышки поршня, и в верхнюю головку шатуна, это обеспечивает его свободное проворачивание во время работы двигателя. Для предотвращения осевого смещения пальца используются пружинящие стопорные кольца, располагаемые поперек отверстий в бобышках — они служат упорами для ПП, не допуская его выпадение. Кольца могут изготавливаться из пружинящей проволоки круглого сечения или штамповаться из листового металла. В последнем случае детали имеют прямоугольное сечение, а на обоих концах предусматриваются отверстия под инструмент для удобства установки и извлечения колец.

В некоторых случаях применяются стопорные грибки или заглушки, они изготавливаются из мягкого металла, благодаря чему не повреждают зеркало цилиндра при контакте с ним. Заглушки находят применение в двухтактных двигателях с определенным расположением впускных и выпускных окон, предотвращая нежелательное перетекание газов между ними. Иногда используется фиксация детали с помощью винта, ввернутого в нижнюю часть бобышки и в отверстие у торцевой части ПП.

ПП, независимо от способа его установки, может иметь смещение относительно оси поршня, достигающее полутора и более миллиметров. Такое смещение направлено на снижение динамических нагрузок, которым подвергается поршень, ПП и головка шатуна при прохождении ВМТ и НМТ. Поршень в своем движении к ВМТ и к НМТ прижимается к одной стенке цилиндра, что также приводит и к прижиму ПП к одной стенке отверстий внутри бобышек. Вследствие этого возникают силы, затрудняющие проворачивание ПП в сопряженных деталях, и при прохождении ВМТ и НМТ поворот может случиться скачкообразно — это происходит с ударом, который проявляются характерным стуком. Эти факторы как раз и устраняются установкой ПП в поршне с некоторым смещением оси.

Как правильно подобрать и заменить поршневой палец

Поршневые пальцы различных типов и способы их фиксации в поршне

В процессе работы двигателя, особенно на переменных режимах, пальцы подвергаются значительным нагрузкам, они изнашиваются, могут деформироваться и требуют замены. О необходимости заменить пальцы говорит ухудшение компрессии и снижение динамических характеристик двигателя, что дополнительно проявляется характерным стуком.

Ремонт силового агрегата в этом случае сводится к замене пальцев, а иногда и сопряженных деталей — втулок головки шатуна в системах с «плавающим» ПП, колец и других. Подбор новых пальцев и других деталей производится по ремонтным размерам. Например, для большинства отечественных двигателей предлагаются детали трех ремонтных размеров, отличающихся на 0,004 мм (так, в двигателях ВАЗ часто используются пальцы диаметром 21,970-21,974 мм (1-я категория), 21,974-21,978 мм (2-я категория) и 21,978-21,982 мм (3-я категория)). Это обеспечивает возможность подбора пальцев различных диаметров с учетом увеличения диаметров отверстий в сопряженных деталях вследствие износа и последующей расточки. Расточка всегда выполняется под те же ремонтные размеры, и если износ деталей превышает указанные диапазоны, то и они должны быть заменены.

Как правило, пальцы продаются комплектами (по 2, 4 и больше штук), иногда вместе со стопорными кольцами и другими деталями.

При ремонте поршневой группы с «плавающими» пальцами нет необходимости в применении специального оборудования — монтаж деталей в бобышки и головку шатуна выполняется усилием руки. Если же меняется палец с фиксацией в шатуне, то приходится использовать специальное приспособление для выпрессовки и запрессовки ПП (в простейшем случае это могут быть втулки и стержни, однако профессионалы используют более сложные механизированные приспособления, похожие на тиски).

В некоторых случаях установка «плавающего» ПП в бобышки также производится в натяг, для этого поршень перед монтажом нагревается в воде или иной жидкости до 55-70 °С. Такой монтаж предотвращает стук ПП при запуске и прогреве двигателя, возникающий вследствие разного коэффициента теплового расширения алюминиевых сплавов и стали. Дело в том, что алюминиевый поршень расширяется быстрее, чем стальной палец, поэтому на непрогретом двигателе зазор между деталями увеличивается и появляется стук. При монтаже ПП в натяг зазор возникает только при прогреве мотора, что предотвращает удары деталей и, соответственно, стук.

Следует заметить, что работы по замене поршневых пальцев требуют значительной разборки двигателя, поэтому их лучше выполнять при наличии соответствующего опыта или доверять профессионалам. Только при правильном подборе пальцев и грамотном ремонте поршневая группа будет функционировать надежно и эффективно, обеспечивая высокие рабочие характеристики силового агрегата.

Почему поршневой палец называют плавающим

Поршневой палец двигателя

Поршневой палец соединяет поршень с верхней головкой шатуна. Поршневой палец Должен быть прочным, легким и износостойким, так как в процессе работы двигателя он подвергается трению и большим механическим нагрузкам, переменным по величине и направлению.

Пальцы изготовляются из высококачественной стали в виде пустотелых трубок с постоянным или переменным внутренним диаметром.

Наружную поверхность пальца цементуют или закаливают, а затем шлифуют и полируют. После термической обработки наружная поверхность пальца становится твердой и более износостойкой.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:
Дополнительные материалы по теме:
  • Охлаждающие жидкости двигателя автомобиля и требования к ним
  • Масла для дизельных двигателем
  • Кабина и ее оборудование автомобиля
  • Техническое обслуживания тормозной системы
  • Многоконтурный пневматический тормозной привод
  • Одноконтурный пневматический тормозной привод
  • Вспомогательная тормозная система
  • Стояночная тормозная система
  • Рабочая тормозная система

В бобышках поршня палец крепится стопорными кольцами, которые удерживают его от осевого смещения. Такой палец называется плавающим, так как он при работе двигателя может поворачиваться в верхней головке шатуна и бобышках поршня. Плавающие пальцы равномернее изнашиваются п поэтому долговечны. Они применяются на двигателях М-21, ГАЗ -бЗА, ЗИЛ -130, ЯМЗ -236 и др.

Рис. 1. Составное маслосъемное кольцо:
1 — кольцевой диск; 2 — осевой расширитель; 3 — радиальный расширитель

У работающего двигателя бобышки поршня из алюминиевого сплава расширяются в большей степени, чем стальной палец, вследствие чего возможен стук поршневого пальца в бобышках поршня. Для устранения этого явления поршень перед сборкой с шатуном нагревают до 70—75 °С, а затем в него и шатун вставляют палец. Когда поршень остынет, палец в бобышках окажется закрепленным неподвижно, а верхняя головка шатуна может иметь угловое смещение относительно неподвияшого пальца. При работе двигателя поршень нагревается, и палец получает возможность поворачиваться вокруг своей оси в бобышках поршня.

Рис. 2. Поршневой палец:
1 — поршень; 2 — поршневой палец; 3 — верхняя головка шатуна; 4 — стопорное кольцо: 5 — канал в стержне шатуна

Смазка к трущимся поверхностям поршневого пальца поступает через отверстие в верхней головке шатуна или в бобышках поршня. В некоторых двигателях масло подается к пальцу по каналу 5, просверленному в стержне шатуна.

Поршневой палец

Поршневой палец представляет собой стальной полый цилиндр, поверхность которого упрочняется в процессе производства и имеет высокий класс чистоты механической обработки для уменьшения концентраторов напряжений. Поршневой палец может иметь возможность проворачиваться как в головке шатуна, так и в бобышках поршня. В этом случае он фиксируется от продольного перемещения специальными стопорными кольцами, а между пальцем и внутренней поверхностью головки шатуна устанавливается втулка из антифрикционного материала. Такой поршневой палец называется «плавающим». Преимущество «плавающего» пальца — его равномерный износ по окружности, а также большая надежность работы (на случай заклинивания в шатуне или в бобышках). Поршневые пальцы «неплавающего» типа запрессованы в верхней головке шатуна и проворачиваются только в бобышках поршня. В этом случае стопорные кольца и втулка не нужны и конструкция получается проще и легче. Нижняя головка шатуна должна быть разборной, чтобы иметь возможность соединения с шейкой коленчатого вала, а две части шатуна соединяются болтами.
Подробнее о поршневом пальце — в главе Шатун

Назад

Если Вы обнаружили ошибку или хотите дополнить статью, выделите ту часть текста статьи, которая нуждается в редакции, и нажмите Ctrl+Enter. Далее следуйте простой инструкции.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *