Поршневые пальцы

 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.

Поршневые пальцы

 Эпюра нагрузки на поршневой палец

Поршневые пальцы Внутреннее отверстие поршневого пальца

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.

Поршневые пальцы

Так выглядит поршневой палец массового автомобиля

По способу осевой фиксации пальцы делятся на две группы: 1 – фиксированные 2 – плавающие

Поршневые пальцы

1 – Поршневой палец

2 – Зазор между пальцем и бобышкой поршня

3 – Шатун

4 – Поршень

5 – Стопорное кольцо пальца

6 – Бронзовая втулка поршневой головки шатуна

7 – Зазор между пальцем и бронзовой втулкой

 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. Например, в двигателях автомобилей ВАЗ надёжная фиксация 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.

Поршневые пальцы

 Во время работы двигателя поршень и палец нагреваются, и из-за разности температурных коэффициентов расширения стального пальца и алюминиевого поршня зазор между этими деталями приобретает необходимое значение.

Поршневые пальцы

 Этот рисунок дан больше для исторической информации, поскольку, в большинстве современных автомобильных двигателей применяются плавающие поршневые пальцы.

А крепление фиксированного поршневого пальца осуществляется только за счёт тугой посадки в поршневой головке шатуна.

Правда в двигателях некоторых американских автомобилей поршневой палец в осевом направлении фиксируется при помощи специальных алюминиевых или бронзовых заглушек, вставляемых в отверстия бобышек поршня со стороны торцов поршневого пальца.

 Подборка пальца по размерной группе

Поршневые пальцы

Проверка зазора в соединении поршня с поршневым пальцем

 При ремонте двигателя, если предполагается повторная установка снятых деталей поршневой группы, необходимо проверить зазор между поршнем и поршневым пальцем.

Для этого, в двух направлениях, замерьте внутренний диаметр отверстия под поршневой палец. В двух направлениях, с обоих концов, замерьте наружный диаметр поршневого пальца и определите зазор в соединении.

Если вычисленный зазор не соответствует установленной технической норме, замените детали, имеющие недопустимый износ.

Поршневые пальцы

 Измерение диаметра отверстия в бобышке поршня

Поршневые пальцы

 Измерение наружного диаметра поршневого пальца

 

 

 Установка фиксированного поршневого пальца

 Для установки фиксированного пальца шатун необходимо нагреть в муфельной электрической печи до температуры 240º С. (При отсутствии муфельной печи шатун часто нагревают на простой электрической плитке).

Шатун быстро охлаждается, а палец необходимо в осевом направлении устанавливать очень точно, поэтому делайте это только с применением специального приспособления.

Необходимо помнить, что для каждого диаметра поршня существует своё приспособление, хотя все они похожи друг на друга, некоторые размеры приспособлений отличаются, но на глаз это не видно. Установите палец на приспособление.

Принимая все меры предосторожности, извлеките нагретый шатун из муфельной печи шатун и быстро закрепите его в тисках. При помощи специального приспособления вставьте палец в поршень и шатун, строго выполняя указания Руководства по ремонту. Делать всё необходимо быстро, поскольку шатун очень быстро остывает. А после того как шатун остынет, изменить положение пальца не получится.

Поршневые пальцы

  Для обеспечения необходимого зазора (натяга) в соединении с пальцем, поршни в зависимости от диаметра отверстия под поршневой палец и пальцы в зависимости от наружного диаметра обычно делятся на несколько размерных групп (классов). Группа поршня и пальца обычно отмечаются цветной меткой на внутренней стороне днища или на бобышке поршня.

На поршневом пальце цветовая метка обычно наносится на торцевую поверхность. Если поршневой палец устанавливается в отверстие поршня с натягом. Сначала проверяется зазор в соединении поршневого пальца и шатуна.

При комнатной температуре (20º С) смазанный моторным маслом палец должен входить во втулку верхней головки шатуны под усилием большого пальца.

 Проверив цветовые метки на поршне и пальце, нагреваем поршень в ванне с горячей водой, в которой поддерживается температура 60º ÷ 85º С. Смазанный моторным маслом палец должен легко входить в отверстие поршня.

После остывания палец должен быть неподвижным или вращаться с усилием в бобышке поршня, но легко вращаться во втулке верхней головки шатуна.

Некоторые производители рекомендуют снимать и устанавливать поршневой палец при помощи специального приспособления.

 Иногда поршневой палец устанавливается с установленным зазором и во втулку верхней головки шатуна и в отверстия бобышек поршня. В этом случае нагревать поршень нет необходимости, и палец легко вращается при комнатной температуре и в верхней головке шатуна и в бобышках поршня.

Всегда применяйте только новые стопорные кольца поршневого пальца и устанавливайте стопорные кольца в строгом соответствии с руководством по ремонту. Направление зазоров стопорных колец, чаще всего, должны быть направлены в сторону нижней части поршня.

Ремонтный комплект, состоящий из поршня, подобранного к поршню поршневого пальца и плоских стопорных колец.

Ремонтный комплект, состоящий из поршней, поршневых пальцев, поршневых колец и круглых стопорных колец.

Плоские стопорные кольца поршневого пальца

Плавающий поршневой палец с комплектом круглых стопорных колец

 В любом случае перед установкой поршневого пальца внимательно ознакомьтесь с руководством по ремонту ремонтируемого автомобиля. Смазка поршневого пальца Работающий под большой механической и термической нагрузкой поршневой палец должен получать необходимую смазку.

Плавающий поршневой палец в соединении с поршневой головкой шатуна смазывается через отверстие в головке шатуна и бронзовой втулке.

Масло в это отверстие поступает из внутренней полости поршня, куда оно вбрызгивается масляной форсункой или поступает через отверстия в поршне от маслосъёмных колец.

Смазка шарнирного соединения поршневого пальца с поршнем. Масло поступает по специальным масляным каналам от маслосъёмных поршневых колец

Поршневой палец — единство поршня и шатуна

Поршневой палец входит в состав одноимённой группы ДВС. Полая (очень редко сплошная) деталь цилиндрической формы изготовлена из стали. С её помощью выполняется шарнирное соединение двух подвижных компонентов ДВС – шатуна и поршня. По типологии дисциплины «детали машин» ПП представляет собой ось шарнира.

В моторах поршневого типа тепловая энергия, которая образуется при горении топлива в цилиндрах, преобразуется в энергию движения с помощью кривошипно-шатунного механизма.

Двумя базовыми рабочими элементами являются поршень и шатун, связанные шарниром. Благодаря последнему оси шатуна и поршня могут отклоняться от одной прямой.

Читайте также:  Ресурс масла в двигателе: что влияет на интервал замены

Палец поршневой и служит «исполнительным органом» этого подвижного соединения.

Поршневые пальцы

Играя роль шарнира, ПП передает вращательный момент от поршня к шатуну при работающем двигателе. В момент запуска мотора передача моментов идёт в обратном направлении.

Роль пальца не сводится к статическому соединению двух  частей поршневой группы. Это деталь, которая обеспечивает согласованную работу всех элементов группы, а косвенно – и сопряжённого коленчатого вала.

Деформация и разбалансировка ПП в результате постепенного износа или удара ставит под угрозу работу силовой установки в целом.

Но прежде чем приобретать новые детали, нужно разобраться в конструктивных особенностях разных видов ПП.

Виды и характеристики

Конструкция ПП едина для разных моделей ДВС. Это тонкостенный цилиндр, который крепится в поршневых бобышках и головной части шатуна. Торцы стержня снабжены фасками для простого крепления. Возможно исполнение дополнительных элементов в корпусе:

  • конусообразная расточка внутренних стенок для снижения массы изделия;
  • нанесение кольцеобразных поясков на внутренних поверхностях с целью повышения их прочности;
  • исполнение отверстий для жёсткого крепления пальца в поршневых бобышках.

Серийные ПП делают из машиностроительной углеродистой  стали марок Ст15, Ст20, Ст45 и др. В некоторых случаях берется хромистая легированная сталь (Ст-20Х, Ст-40Х, Ст-45Х, Ст-20ХНЗА).

Если изделие выполнено из стали с низким содержанием углерода, внешняя поверхность и торец подвергаются закалке на глубину до 1,5 мм. В результате твердость снаружи варьируется в диапазоне от 55 до 62 HRC1, в то время как твердость внутренней поверхности стержня не превышает 30 HRC.

Закалка деталей из среднеуглеродистых сталей выполняется с помощью высокочастотного электрического тока. Также внешняя поверхность шлифуется.

В результате закалки сочетается износостойкость внешней поверхности и достаточно высокие амортизационные характеристики внутренних слоев.

Последнее делает механизм устойчивым и к резким ударным и вибрационным нагрузкам, неизбежным при эксплуатации ДВС.

Поршневые пальцы

В результате шлифовки нейтрализуются напряжения, возникшие в стенке во время изготовления детали. Если её не отшлифовать, высок риск появления наклепов и задиров, которые могут привести к разрушению стенок.

Как крепят пальцы?

Крепление ПП к поршню обеспечивают бобышки – два симметричных расширения с продольными отверстиями. Соединение предусматривает две формата ПП:

  1. Плавающий.
  2. Запрессованный в «тело» шатуна. 

Вторая конструкция реализуется чаще, поскольку жесткая фиксация ПП в головке исключает смещение изделия относительно оси.

В то же время нежёсткое крепление в бобышках предусматривает определенную степень свободы — ПП может смещаться, что гарантирует гибкую адаптацию механизма ко всем режимам работы двигателя.

Кроме того, благодаря зазору сохраняется возможность смазки трущихся деталей. Хронический недостаток смазки – ахиллесова пята поршневых пальцев.

Поршневые пальцы

Это любопытно. Поршневые пальцы, запрессованные в шатун, устанавливались ещё на первенце завода АвтоВАЗ – знаменитой «копейке» ВАЗ-2101. Такая же инновационная для 70-х годов схема была реализована на «пятерках» 2105, а позже и на «восьмерках» 2108.

Плавающий палец

Механизм с плавающим ПП свложнее, поскольку требует установки дополнительных деталей. Зазоры присутствуют и в бобышках поршня, и в головке шатуна. Проворачивание происходит относительно свободно. Камень преткновения – неизбежное смещение. Для устранения этого эффекта используют пружинные кольца, которые не допускают выпадение ПП.

Материал колец – гибкая стальная проволока или штампованные гибкие пластинки прямоугольной формы. Для удобства установки колец на их концах делают вспомогательные отверстия под инструмент. Стопорные кольца ПП истираются быстро, поэтому приходится достаточно часто извлекать старые компоненты и ставить новые.

Альтернативное техническое решение – стопоры-грибки (заглушки), которые изготавливают из мягкой стали, чтобы не повредить поверхность цилиндра, контакт с которой при возвратно-поступательном движении поршня неизбежен. Такая конструкция характерна для двухтактных двигателей с конкретной схемой расположения впускных и выпускных отверстий. Ещё один вариант фиксации – винт, соединяющий торец и бобышку.

Штатное смещение между осью поршня и осью ПП вне зависимости от типа крепления – 1,5 мм, и даже больше. Смещение позволяет исключить разрушающие нагрузки при прохождении верхней и нижней «мёртвых точек». Если бы не указанная свобода смещения, проворачивание механизма было бы сильно затруднено.

При неисправности поршневой группы слышен характерный стук, водители говорят, что «стучат пальцы». Этот симптом как раз и указывает на недостаток пространства при проворачивании ПП.

Выбор и замена ПП

Интенсивная работа ДВС, особенно с частой сменой режимов, чревата сверхнормативными нагрузками и деформацией деталей. К сожалению, ПП – заведомо неремонтопригодный элемент, при поломке он идёт под замену. Ранним симптомом неисправности служит снижение динамических характеристик мотора, параллельно появляется характерный звук из моторного отсека.

Поршневые пальцы

Устранение неисправности предполагает замену изношенных ПП, а иногда по результатам диагностики – и изношенных смежных деталей.

Если палец плавающий, то втулки, стопорные кольца и другие мелкие детали надо менять практически всегда. Элементы на замену подбираются по специальным сервисным размерам.

Для силовых установок российского производства предусмотрено три штатных размера ПП с шагом 0,004 мм.

Категория ПП Минимальный диаметр Максимальный диаметр
1-я 21,970 21,974
2-я 21,974 21,978
3-я 21,978 21,982

Градация позволяет подобрать компоненты с учетом конструкции кривошипно-шатунного механизма, расположением рабочих отверстий и других характеристик. Установка новых деталей может потребовать расточки отверстий и других подготовительных действий, о которых упомянуто выше.

Пальцы обычно продаются четными комплектами (по 2,4 и более штук). В комплект могут входить стопорные кольца и другие вспомогательные детали.

Установка плавающих пальцев редко требует применения электрооборудования. Штатные элементы устанавливаются вручную или с применением нехитрого ручного инструмента. Монтаж запрессованного ПП требует применения специального прессовочного оборудования, которое внешне напоминает тиски.

Установка в натяг

Крепление плавающего ПП в бобышке может потребовать нагрева деталей до 55-75°. Мастера называют операцию установкой в натяг. Смысл процедуры в том, чтобы исключить стук при запуске двигателя.

Стук связан с тем, что у алюминиевого поршня и стального ПП разные коэффициенты теплового расширения.

При установке в натяг расстояние между деталями минимально, и соударения при холодном запуске не происходит.

Замена ПП предполагает диагностику и разбор мотора и требует соответствующих профессиональных навыков и экипировки. Правильно подобранные и квалифицированно установленные пальцы – залог полноценной и безаварийной работы силовой установки в целом.

Поршневая группа: поршневые пальцы

Поршневой палец служит осью в шарнирном соединении поршня с шатуном и воспринимает поэтому все передающиеся между ними силовые нагрузки.

В четырехтактных двигателях силовые нагрузки на поршневой палец резко изменяются как по величине, так и по направлению, а в двухтактных — только по величине.

Однако в обоих случаях поршневые пальцы испытывают ударный характер нагрузки и работают в условиях ограниченной смазки.

https://www.youtube.com/watch?v=3FYUr1MMYVw\u0026pp=ygUf0J_QvtGA0YjQvdC10LLRi9C1INC_0LDQu9GM0YbRiw%3D%3D

В кривошипном механизме быстроходных автомобильных двига­телей поршневые пальцы желательно иметь возможно меньшего веса, а по конструктивным соображениям их выполняют с ограни­ченным поперечным сечением и малыми опорными поверхностями.

Это порождает большие напряжения и значительные удельные дав­ления на опорных поверхностях рассматриваемого шарнирного соединения.

Поэтому поршневой палец должен обладать высокой износостойкостью и одновременно хорошо противостоять воздейст­вию ударных нагрузок при общем ограниченном весе.

Чтобы удовлетворить эти жесткие требования, поршневые паль­цы изготовляют в виде полого стального цилиндра с небольшой толщиной стенок (рис.) и подвергают их соответствующей терми­ческой и тщательной механической обработке.

Поршневые пальцы

Материалом для поршневых пальцев служат углеродистые стали марок 15, 20 или 45, а в особенно напряженных двигателях приме­няют, например, хромистые—15Х, 40Х и другие легированные качественные стали. Пальцы, изготовленные из малоуглеродистых сталей, содержащих до 0,2% углерода, цементируют, т.

е наугле­роживают поверхностный их слой, и подвергают закаливанию; из среднеуглеродистых сталей пальцы закаливают, нагревая поверх­ностный слой их токами высокой частоты. Толщина закаленного слоя обычно составляет 1—1,5 мм, а твердость HRC 55—60 (шкала С по Роквеллу).

После такой термической обработки материал пальца с внутренней стороны стенок сохраняет свои вязкие свойства и хорошо сопротивляется ударным нагрузкам, а наружный зака­ленный слой их приобретает повышенную износостойкость.

Пальцы тщательно шлифуют и полируют с тем, чтобы на рабочей поверх­ности не оставалось каких-либо рисок или следов обработки, вызы­вающих концентрацию опасных для прочности местных напряже­ний.

Чтобы в процессе работы поршневые пальцы не выходили из отверстий бобышек и не могли повредить зеркало цилиндра, их фиксируют в строго заданном положении относительно шатуна или поршня. По способу фиксации пальцев они подразделяются на плавающие и закрепленные.

Закрепленными считаются пальцы, неподвижно зафиксированные в головке шатуна или в бобышках поршня В головке шатуна палец закрепляют с помощью стяжного болта устанавливаемого в разрезную головку (см. рис. б). Палец сохраняет в этом случае угловое перемещение только в бо­бышках.

Чугунные поршни при таком креплении пальцев снабжают бронзовыми втулками, уменьшающими потери на трение и предот­вращающими возможные задиры трущихся поверхностей.

Крепле­ние пальца в бобышках поршня осуществляется с помощью стопор­ного болта, который на резьбе заворачивается в бобышку и проходит через сделанное для этой цели отверстие в стенке пальца (см. рис. в). Поэтому угловое перемещение пальца сохраняется только в головке шатуна с запрессованной в нее в качестве подшип­ника бронзовой втулкой.

При неподвижной фиксации поршневых пальцев в шатуне или бобышках поршня отдельные участки их нагружаются неравно­мерно, а следовательно, и неравномерно изнашиваются. Чтобы устранить этот недостаток, применяют так называемые плавающие пальцы. Плавающие пальцы фиксируются только от осевого сме­щения, как показано на рис. а и г.

В процессе работы они могут свободно поворачиваться как в головке шатуна, так и в бобышках поршня, что способствует более равномерному их износу. В холод­ном состоянии палец должен плотно без качки входить в отверстие втулки верхней головки шатуна, а по отверстиям в бобышках порш­ня из алюминиевых сплавов он подбирается с тугой посадкой.

Необходимость этого обусловливается разницей в коэффициентах линейного расширения у алюминиевых поршней и стальных паль­цев. Опыт показывает, что в прогретом двигателе зазоры между поршневым пальцем и отверстиями в бобышках и головке шатуна выравниваются.

Для облегчения сборки алюминиевые поршни реко­мендуется подогревать до 60—80°С путем погружения в горячую жидкость, например в нейтральное масло.

Читайте также:  Система зажигания двигателя (принцип работы)

Плавающие поршневые пальцы получили наибольшее распро­странение в автомобильных, тракторных и других быстроходных двигателях. Осевую фиксацию плавающих пальцев осуществляют с помощью стопорных пружинных колец круглого или прямоуголь­ного сечения (см. рис.

а) и реже для этой цели используют гриб­ки из мягкого металла (см. рис. г). Стопорные кольца устанав­ливают в канавках, проточенных для них в отверстиях бобышек, несущих поршневой палец.

Глубина проточек под стопорные кольца выбирается так, что последние примерно наполовину выступают из них и надежно фиксируют палец от осевых перемещений. Кольца вынимаются из канавок с помощью отогнутых внутрь концов или имеющихся у них отверстий (см. рис. а).

Грибки, или заглушки, из мягкого металла (обычно из алюминия) запрессовывают с двух сторон в отверстия поршневого пальца и при осевом перемещении его соприкасаются с зеркалом цилиндра, но не разрушают стенок.

Поршневые пальцы двухтактных двигателей с торцов закры­ваются иногда заглушками, предотвращающими в этом случае возможное перетекание газов между впускными и выпускными окнами. На двухтактных дизелях ЯМЗ пальцы с торцов закрывают­ся стальными заглушками. От осевого перемещения пальцы в этих двигателях фиксируются стопорными кольцами, показанными на рис. д.

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.

Читайте также:  Если залить воду вместо антифриза: последствия для системы охлаждения двигателя

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.

Поршневые пальцы

Поршневой
палец служит для шарнирного соединения
поршня с шатуном и является осью,
относительно которой шатун совершает
колебательное движение.

Поршневой
палец работает в условиях знакопеременной
нагрузки при четырехтактном процессе
и в условиях близких к пульсирующей
нагрузке в случае двухтактного процесса.

Кроме того, поршневой палец испытывает
тепловую нагрузку вследствие передачи
теплоты от головки поршня, выделения
теплоты при трении поршневого пальца
о головку шатуна и бобышки поршня. В
результате этого создаются неблагоприятные
условия для осуществления жидкостного
трения.

Из-за наличия полужидкостного
трения поршневой палец и сопряженные
с ним поверхности бобышек поршня и
верхней головки шатуна сильно изнашиваются.

Для
обеспечения нормальных условий работы
поршневого пальца его конструкция
должна удовлетворять следующим
требованиям: малая масса, минимальная
деформация при работе, хорошая
сопротивляемость ударной нагрузке,
высокая износостойкость и прочность
при переменной нагрузке.

Поршневой
палец делают цилиндрической формы с
отверстием внутри.

Конструкция
поршневого пальца в основном зависит
от типа сопряжения поршневого пальца
с бобышками поршня и верхней головки
шатуна.

По указанному признаку различают
поршневые пальцы: 1) закрепленные в
бобышках поршня и вращающиеся в головке
шатуна; 2) закрепленные в головке шатуна
и вращающиеся в бобышках поршня и 3)
свободно вращающиеся как в головке
шатуна, так и в бобышках поршня —
плавающие пальцы.

В
первом случае поршневой палец стопорится
болтами, для которых в бобышках поршня
имеются отверстия с резьбой, а на
поверхности самого пальца — отверстия
для его стопорения.

Недостатком такого
крепления являются: выкрашивание резьбы
стопорного болта, увеличение брака при
термической обработке поршневого пальца
из-за наличия в нем углубления, прогиба
поршневого пальца из-за увеличения
длины поверхности соприкосновения
поршневого пальца с головкой шатуна
(для уменьшения износа рабочих
поверхностей). Поэтому этот тип крепления
не применяется.

Во
втором случае крепления поршневого
пальца значительно сокращается длина
головки шатуна, что ведет к уменьшению
массы шатуна и расчетной длины поршневого
пальца, а следовательно, и его прогиба.

Этот способ крепления поршневого пальца
целесообразно применять при чугунных
поршнях.

Если поршень пальца изготовлен
из сплава, имеющего высокий коэффициент
расширения,то вследствие того,что
поршневой палец должен поворачиваться
в бобышках даже холодного поршня, зазор
в сопряжении поршневой палец — поршень
при повышении температуры получается
увеличенным.

Преимущественное
распространение получили поршневые
пальцы плавающего типа, так как они
незначительно и равномерно изнашиваются
по длине и по окружности и удобны при
монтаже. Кроме того, в случае их применения
уменьшается опасность заедания пальца.

Для
предотвращения осевого перемещения
поршневого пальца плавающего типа
применяют различные способы фиксации.
При фиксации поршневого пальца одним
кольцом ослабляется его опасное сечение,
поэтому предпочтительнее креплениепоршневого
пальцадвумя кольцами в бобышках поршня.

В ряде двигателей в отверстия бобышек
поршня устанавливаются заглушки 1 из
листовой стали и пружинящие кольца 2.

В
некоторых случаях фиксация поршневого
пальца осуществляется пробками из
алюминия или латуни, при этом несколько
повышается жесткость кольца и улучшается
отвод теплоты.

Конструктивные
формы поршневых пальцев весьма
разнообразны. Наиболее простыми являются
поршневые пальцы трубчатой формы.
Поршневые пальцы с коническими внутренними
поверхностями имеют форму бруса равного
сопротивления изгибу, вследствие чего
уменьшается масса поршневого пальца.

Для
смазки поршневого пальца в бобышках
поршня масло подводится по каналу из-под
маслосъемных поршневых колец через
отверстия в бобышках поршня.

Смазка
поршневого пальца в головке шатуна
осуществляется маслом, разбрызгиваемым
кри-вошипно-шатунныммеханизмомиподаваемымкпоршневому
пальцу через отверстия в головке шатуна,
или маслом, поступающим по каналу в
шатуне от шатунной шейки коленчатого
вала.

Авто +

Поршневой палец – элемент кривошипно-шатунного механизма цилиндрической формы, который представляет собой ось перемещения шатуна в месте его соединения с поршнем и обеспечивает таким образом подвижное шарнирное соединение головки шатуна и поршня.

Применение поршневого пальца

Поршневой палец соединяет поршень с шатуном. Соединение двух этих деталей не может быть жестким, так как и низ, и верх шатуна постоянно перемещаются. Цилиндрический палец позволяет верхней части шатуна «шататься» при перемещении поршня по вертикали.

Для монтажа плавающего пальца поршень, шатун и палец кипятят в горячей воде

Почему поршневой палец трудно облегчить?

Первостепенная задача конструкторов современных двигателей – увеличение мощности и, одновременно, снижение веса мотора. Для того, чтобы уменьшить вес всего агрегата, приходится облегчать детали любыми доступными способами.

Облегчить поршневой палец непросто, так как эта деталь постоянно испытывает серьезные нагрузки. Легкие и прочные сплавы, которые можно использовать для производства поршневых пальцев, стоят дорого, и себестоимость изделия существенно увеличивается. В итоге, в большинстве современных двигателей применяются пальцы из легированной стали, такие же, как сто лет назад.

Зачем нужно отверстие в центре поршневого пальца?

Обычно в теле пальца есть сквозное отверстие отверстие в виде двух конусов  с вершинами в центре. Благодаря отверстию можно уменьшить вес детали, а конусная форма связана с распределением нагрузки по поверхности детали. Центр пальца нагружен значительно больше, и в этом месте толщина материала играет наиболее существенную роль. 

1 – фиксированные

2 – плавающие

  • 2 – Зазор между пальцем и бобышкой поршня
  • 3 – Шатун
  • 4 – Поршень
  • 5 – Стопорное кольцо пальца
  • 6 – Бронзовая втулка поршневой головки шатуна
  • 7 – Зазор между пальцем и бронзовой втулкой
  • На современных автомобильных двигателях наибольшее распространение нашли плавающие пальцы.

Фиксированный

  1. 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.
  2. Тугая посадка поршневого пальца в одном из элементов обеспечивает осевую фиксацию пальца.

  3. 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.

Например, в двигателях автомобилей ВАЗ надёжная фиксация 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.

Плавающий

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 60? ? 85? С.

Подбор поршневого пальца

Если в двигателе применен плавающий палец, его подбирают по цветовой метке, нанесенной внутри днища поршня, или по заводскому номеру запчасти по каталогу.

Поршни и поршневые пальцы делятся на размерные группы в зависимости от диаметра, об этом следует помнить при самостоятельной покупке деталей.

При подборе фиксированного пальца палец подбирается по отверстию в поршне по номеру группы, указанному на днище поршня.

Материал для изготовления поршневых пальцев

Для изготовления поршневых пальцев применяют в основном сталь  45ХА. После отливки деталь закаливают на 1-1.5 мм глубины. Твердость поверхности должна быть соответствовать определенным нормам. В моторах повышенной мощности применяют для изготовления пальцев применяют более прочные сорта легированной стали.

Для установки фиксированного пальца шатун необходимо нагреть в муфельной электрической печи до температуры 240? С. (При отсутствии муфельной печи шатун часто нагревают на простой электрической плитке).

Шатун быстро охлаждается, а палец необходимо в осевом направлении устанавливать очень точно, поэтому делайте это только с применением специального приспособления.

Необходимо помнить, что для каждого диаметра поршня существует своё приспособление, хотя все они похожи друг на друга, некоторые размеры приспособлений отличаются, но на глаз это не видно.
Установите палец на приспособление.

Принимая все меры предосторожности, извлеките нагретый шатун из муфельной печи шатун и быстро закрепите его в тисках. При помощи специального приспособления вставьте палец в поршень и шатун, строго выполняя указания Руководства по ремонту. Делать всё необходимо быстро, поскольку шатун очень быстро остывает. А после того как шатун остынет, изменить положение пальца не получится.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector