Поршень

Высота головки поршня определяет его габариты и массу, в связи с чем ее выбирают минимально необходимой для обеспечения нормального температурного режима ее элементов.

Особое внимание при этом обращается на температуру в зоне канавки верхнего компрессионного кольца и в бобышках поршня. МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОРШНЕЙ Для изготовления поршней автотракторных ДВС в настоящее время в основном используют алюминиевые сплавы, реже серый или ковкий чугун, а также композиционные материалы.

Алюминиевые сплавы имеют малую плотность, что позволяет снизить массу поршня и, следовательно, уменьшить инерционны нагрузки на элементы цилиндропоршневой группы и КШМ. При этом упрощается также проблема уменьшения термического со противления элементов поршня, что в сочетании с хорошей теплопроводностью, свойственной данным материалам, позволяет уменьшать теплонапряженность деталей поршневой группы. К положительным качествам алюминиевых сплавов следует отнести малые значения коэффициента трения в паре с чугунными или стальными гильзами.

Однако поршням из алюминиевых сплавов присущ ряд серьезных недостатков, основными из которых являются невысокая усталостная прочность, уменьшающаяся при повышении температуры, высокий коэффициент линейного расширения, меньшая, чем у чугунных поршней, износостойкость, сравнительно большая стоимость. В настоящее время при изготовлении поршней используют два вида силуминов: эвтектические с содержанием кремния 11...14% и заэвтектические - 17...25%. Увеличение содержания Si в сплаве приводит к уменьшению коэффициента линейного расширения, к повышению термо - и износостойкости, но при этом ухудшаются его литейные качества и растет стоимость производства. Для улучшения физико-механических свойств силуминов в них вводят различные легирующие добавки. добавка в алюминиево-кремниевый сплав до 6% меди приводит к повышению усталостной прочности, улучшает теплопроводность, обеспечивает хорошие литейные качества и, следовательно, меньшую стоимость изготовления.

Однако при этом несколько снижается износостойкость поршня.

Использование в качестве легирующих добавок натрия, азота, фосфора увеличивает износостойкость сплава.

Легирование никелем, хромом, магнием повышает жаропрочность и твердость конструкции.

Заготовки поршней из алюминиевых сплавов получают путем отливки в кокиль или горячей штамповкой. После механической обработки они подвергаются термической обработке для повышения твердости, прочности и износостойкости, а также для предупреждения коробления при эксплуатации.

Кованые поршни пока используются реже, чем литые. Чугун в качестве материала для поршней по сравнению с алюминиевым сплавом обладает следующими положительными свойствами: более высокими твердостью и износостойкостью, жаропрочностью, одинаковым коэффициентом линейного расширения с материалом гильзы.

Последнее позволяет существенно уменьшить и стабилизировать по режимам работы зазоры в сочленении юбка поршня — цилиндр.

Однако большая плотность не позволяет использовать его широко для поршней высокооборотных автомобильных двигателей.

Данный недостаток может быть частично нивелирован включением в структуру чугуна шаровидного графита, что позволяет отливать элементы поршня существенно меньшей толщины. Как следует из сказанного выше, ни силумины, ни чугун в полной мере не являются оптимальными материалами для изготовления поршней. В связи с этим в настоящее время ведется активная работа по использованию для поршней керамических материалов, которые наилучшим образом отвечают требованиям, предъявляемым к материалам поршневой группы. Это малая плотность при высокой прочности, термо -, химико - и износостойкости, низкой теплопроводности и необходимом значении коэффициента линейного расширения. Один из практических способов использования керамики состоит в изготовлении деталей поршня из металло - или полимерокомпозиционных материалов.

Матрицей (основой) первого типа материалов является алюминий или магний, а в качестве наполнителя используют керамические и металлические порошки или волокла пористых материалов.

Основу полимерокомпозиционных материалов составляют полимерные материалы с наполнителем из волокон углерода, стекла, порошков металлов или керамики. Они обладают малой плотностью, высокими антифрикционными свойствами и применяются для элементов с небольшими тепловыми нагрузками, например для изготовления юбки поршня.

Перспективным является армирование элементов поршня керамическими волокнами из оксида алюминия и диоксида кремния. При содержании в основном материале до 40...50% оксида алюминия получается аморфное керамическое волокно с диаметром 2...3 мкм, успешно работающее при температуре 1200...1300°С. Если содержание оксида алюминия превышает 70%, получается структура волокна, приближающаяся к кристаллической, что способствует высокой термической стабильности изделия.

Основными проблемами, сдерживающими широкое использование керамики для изготовления поршней автотракторных двигателей, являются хрупкость, низкая прочность на изгиб, склонность к трещинообразованию и усталости, а также высокая стоимость.

Материал поршня должен быть возможно малой плотности, иметь низкий коэффициент линейного расширения, обладать износостойкостью, высокой теплопроводностью, в том числе при повышенных температурах, иметь хорошую обрабатываемость. При этом важными являются комплексные характеристики материала, а не только отдельные его свойства. Так, уровень термических напряжений зависит от величины Еt и т.д. В зависимости от назначения двигателя и типа конструкции поршня могут быть применены различные материалы.

Поршни двигателей многих типов, прежде всего автомобильных и тракторных, изготовляют из легких сплавов литьем в кокиль или штамповкой. В первом случае применяются эвтектические силумины типа 4Л25 (11-13% Si ) и заэвтектические . содержащие присадки меди, никеля, магния и марганца.