Чем легче поршень в двигателе

поршня.

Преимущества кованных поршней

«В форсированном двигателе применены кованные поршни…» Знатокам тюнинга эта фраза знакома, упоминание о кованных поршнях часто встречается в описании конструкций спортивных двигателей
…

…
…
Поршни двигателя – одна из самых сложных и нагруженных деталей. Современная тенденция в спортивном тюнинге – рост максимальных оборотов двигателя. Следовательно приходиться бороться за массу поршня, ведь чем легче поршень, тем меньше он под действием боковых, составляющих сил инерции прижимается к поверхности цилиндра. А значит, меньше будут механические потери, выше мощность, как правило, больше ресурс и выше максимально допустимые обороты двигателя.

В борьбе за снижение массы поршень приобрел оригинальную форму, но напрочь утратил простоту. Во-первых, как известно металл при нагреве расширяется, причем поршень расширяется неравномерно – больше в направлении, параллельном оси поршневого пальца, и меньше – в плоскости качания шатуна.

Происходит это из-за того, что металла в области бобышек-приливов под поршневой палец — больше, и поэтому если, предположим, поршень был бы цилиндрическим в холодном состоянии, то при нагреве до рабочей температуры он станет овальным. Во-вторых, юбка поршня при работе двигателя тоже нагревается неравномерно, и тоже превратиться в изогнутую, как говорят специалисты, «корсетную».

Точно также ведет себя и конусная юбка поршня двигателя…

Все это приводит к сокращению пятна контакта поршня с поверхностью цилиндра, повышенному износу, а в худшем случае – задиру, прихватыванию поршней и заклиниванию двигателя. А ведь помимо нагрева, поршень подвергается и давлению газов, и воздействиям сил инерции – и под их влиянием тоже деформируется.
Понятно, что поршень должен быть как можно легче, прочнее и как можно меньше изменять свою форму при нагреве и других воздействиях.

Вот типичный портрет современного поршня для двигателя автомобиля или мотоцикла. Он (поршень) отливается из аллюминиевого сплава с добавлением кремния и в холодном состоянии имеет овальную форму, чтобы при нагреве поршня, в силу упомянутых выше причин, приблизиться к цилиндрической. А для того, чтобы оптимизировать по форме пятно контакта юбки поршня с цилиндром, профиль юбки поршня делают бочкоообразным – причем с запасом, чтобы поршень сохранил форму бочонка и в горячем состоянии.

Кроме того, с целью свести к минимуму температурную деформацию поршня, в тело поршня заливают стальные, термокомпенсирующие вставки, которые призваны удерживать область бобышек от чрезмерного расширения. Главный недостаток литых поршней – процесс литья не свободен от большого процента технологического брака, внутри металла будущего поршня остаются пустоты, возникают трещины. Да и твердость сплава после литья и закалки относительно не высока: 80 единиц по шкале Бринеля.

Поэтому, чтобы соблюсти необходимую прочность литого поршня, его массу приходится увеличивать. К примеру обычный, заводской поршень для 16V двигателя ВАЗ, получаемый литьем в кокиль, весит 370 грамм. Как альтернатива заводским, литым поршням появились кованые поршни. В принципе их правильнее называть штампованными, т.к. поршни получают не многократной обработкой давлением, а однократной. Заготовка поршня помещается в матрицу, прижимается пуансоном и полуфабрикат поршня готов. Естественно окончательную форму поршня он приобретет только после механической обработки.

Штамповка поршня под давлением позволяет упрочнить металл и одновременно сделать поршень гораздо более легким, прочным, надежным и долговечным.
При этом возникает проблема невозможности ( вернее большой сложности ) запрессовки в поршень термокомпенсирующих вставок и вследствии этого необходимость в более тщательном подборе профиля поршня.

В качестве сырья для изготовления кованных поршней используют высококремнистый алюминий (содержание кремния 10-18%), подвергнутый предварительной деформации, в виде прутка, прошедшего многократную протяжку через фильеры. В процессе такой протяжки сечение прутка уменьшается вчетверо и при этом ликвидируются поры в металле будущего поршня и изменяется его структура. Пруток режется, и болванками закладывается в гидравлический пресс.

Если температура повысится – то алюминий будущего поршня попросту начнет плавиться. В результате изотермической штамповки из предварительно деформированного металла и последующего цикла закалки и обязательного старения, получается заготовка под будущий кованый поршень с высокими механическими характеристиками – твердость 130 единиц и отсутствие технологического брака типа каверн, раковин и трещин. Комплект облеченных поршней версии «Тюнинг» весит на 50 грамм легче, по сравнению со стандартными, заводскими ВАЗ-овскими поршнями.

«Революционным» в национальных гоночных классах стал переход на поршни с 2мя кольцами, без среднего кольца. При этом за счет одновременного изменения профиля поршня заметного возрастания расхода масла не произошло.

Чем легче поршень в двигателе

Да и обычным владельцам скутеров и мотоциклов приходилось слышать превосходные отзывы о данных изделиях. В каких же случаях кованые поршни рекомендуется использовать, и чем они лучше более распространенных литых поршней?

Кованые поршни – что это такое?

Что дает установка кованых поршней в двигатель?

Насколько кованые поршни лучше литых?

Литые поршни по технологии своего изготовления, идеально подходят для массового производства и предназначаются в основном для серийных моторов. В том случае, если для вас скутер/мотоцикл лишь способ перемещения из одной точки в другу, то менять обычные поршни на кованые не стоит. То же самое справедливо и в плане капитального ремонта двигателя.

Совсем иное дело – двигатели тюнингованные, спортивные. Именно они предъявляют высокие требования в плане качества поршней и других комплектующих. Стандартные поршни для подобных двигателей имеют не совсем оптимальную форму и несколько тяжеловаты. Кроме всего прочего, литье имеет некоторые дефекты, которые не видно невооруженным глазом: вкрапления мельчайших инородных элементов, каверны, пузырьки. Их практически невозможно заметить даже при весьма тщательном контроле. В обычной ситуации навредить они смогут врядли, а в случае с силовым агрегатом повышенной мощности (и как следствие высокой нагрузки), последствия такого брака могут быть для мотора весьма плачевными. Поршень может дать трещину, прогореть и т.п. Владельцы мото-техники китайского производства могут подтвердить, что такие казусы бывают. Особенно часто подобное происходит при попытке увеличить объем цилиндра, прибегая к установке коленвала с увеличенным ходом. В данной ситуации стандартные поршни необходимо торцевать, что делает их более слабыми и совершенно не способствует увеличение их срока службы. Ввиду существенной разницы в структуре, отливка всегда менее прочна, чем кованая деталь, даже если эта деталь изготовлена идеально.

Читать еще: Давление масла в двигателе k9k

Детали на двигателях с тюнингом ЦПГ подвергаются существенным температурным и механическим нагрузкам. Поэтому для изготовления кованых поршней используют алюминиевые сплавы с повышенным содержанием кремния (10-18%), которые обладают меньшим коэффициентом расширения, повышенной жаропрочностью и лучшими показателями прочности, по сравнению со сплавами, применяемыми для отлива заготовок в кокиль (чугунная или стальная форма для литья). Этот сплав подвергнутый предварительной деформации, в виде прутка, прошедшего многократную протяжку через фильеры (волочильная плита с коническими отверстиями). В процессе такой протяжки сечение прутка уменьшается вчетверо, при этом ликвидируются поры в металле будущего поршня и изменяется его структура. Пруток режется, и болванками закладывается в гидравлический пресс.

Высококачественные поршневые заготовки из высококремнистого сплава изготовить стандартным способом (литье в кокиль) не получится ввиду различной скорости кристаллизации кремния (образуются поры). По этой самой причине заготовки производятся при помощи применения более сложных методов: изотермической и жидкой штамповки. В первом варианте штамповку делают из мерных заготовок, изготовленных из предварительно «обжатого» через фильеру прутка. Во втором случае специальная матрица заливается металлическим расплавом, а пуансон ее деформирует с заранее заданной скоростью. Процесс штамповки с заранее установленной скоростью, начинается после того, когда пуансон, мерная заготовка и матрица будут разогреты до температуры в 400-450 C. В результате структура металла, из которого изготовляются кованые поршни, отличается от литых своей мелкодисперсностью. В нее отсутствуют грубые частицы кремниевых кристаллов. В результате этого материал, из которого производятся штампованные поршни, имеет высокие механические характеристики, как при нормальных, так и при рабочих температурах (300-350 C). Штампованный поршень благодаря своим улучшенным характеристикам становится «ажурнее» и легче в отличие от литого.

На основании вышеизложенных фактов можно сделать вывод, что использование кованых поршней в двигателях с тюнингом ЦПГ в сторону увеличения объема если уж и не строго обязательное, то по крайней мере, очень желательное.

Штампованные поршни по сравнению с литыми, намного легче и одновременно существенно прочнее, их форма для форсированных моторов наиболее оптимальна, а вероятность их прогорания значительно меньше. Кроме того их твердость по шкале Бринелля составляет 120-130 единиц, твердость обычных по той же шкале – максимум 90. Термоциклическая стойкость кованых поршней почти в 6 раз выше, и если литые поршни до появления трещин способны выдержать не более четырехсот циклов «нагрев-охлаждение», то поршень штампованный выдерживает около 2 500.

Поршни двигателя – одна из самых сложных и нагруженных деталей. Современная тенденция в спортивном тюнинге – рост максимальных оборотов двигателя. Следовательно, приходиться бороться за массу поршня, ведь чем легче поршень, тем меньше он под действием боковых составляющих сил инерции прижимается к поверхности цилиндра. А значит, меньше будут механические потери, выше мощность, как правило, больше ресурс и выше максимально допустимые обороты двигателя.

В борьбе за снижение массы поршень приобрел оригинальную форму, но напрочь утратил простоту. Во-первых, как известно, металл при нагреве расширяется, причем поршень расширяется неравномерно, больше в направлении, параллельном оси поршневого пальца, и меньше – в плоскости качания шатуна.

Происходит это из-за того, что металла в области бобышек-приливов под поршневой палец больше, и поэтому если, предположим, поршень был бы цилиндрическим в холодном состоянии, то при нагреве до рабочей температуры он станет овальным. Во-вторых, юбка поршня при работе двигателя тоже нагревается неравномерно, и тоже превратиться в изогнутую, как говорят специалисты, «корсетную». Точно также ведет себя и конусная юбка поршня двигателя.

Все это приводит к сокращению пятна контакта поршня с поверхностью цилиндра, повышенному износу, а в худшем случае – задиру, прихватыванию поршней и заклиниванию двигателя. А ведь помимо нагрева, поршень подвергается и давлению газов, и воздействиям сил инерции, и под их влиянием тоже деформируется. Понятно, что поршень должен быть как можно легче, прочнее и как можно меньше изменять свою форму при нагреве и других воздействиях.

Как альтернатива заводским, литым поршням появились кованые поршни. В принципе их правильнее называть штампованными, т.к. поршни получают не многократной обработкой давлением, а однократной. Заготовка поршня помещается в матрицу, прижимается пуансоном и полуфабрикат поршня готов. Естественно, окончательную форму поршня он приобретет только после механической обработки. Штамповка поршня под давлением позволяет упрочнить металл и одновременно сделать поршень гораздо более легким, прочным, надежным и долговечным. При этом возникает проблема большей сложности запрессовки в поршень термокомпенсирующих вставок и вследствие этого необходимость в более тщательном подборе профиля поршня.

Усилие в 250 тонн и температура 500 градусов, поддерживаемая системой индукционного нагрева, делает чудеса: металл будущего поршня, словно пластилин, за несколько секунд растекается между матрицей и пуансоном, принимая форму заготовки поршня. Поскольку процесс изготовления поршня протекает при неизменной температуре, называется он изотермической штамповкой. Постоянный нагрев играет здесь большую роль, ведь если температура в зоне матрицы упадет, то возможна недоштамповка поршня, то есть неравномерное распределение металла. Если температура повысится, то алюминий будущего поршня попросту начнет плавиться. В результате изотермической штамповки из предварительно деформированного металла и последующего цикла закалки и обязательного старения, получается заготовка под будущий кованый поршень с высокими механическими характеристиками – твердость 130 единиц и отсутствие технологического брака типа каверн, раковин и трещин.

Герои огненного круга: почему нельзя экономить на поршневых кольцах

Двигатель, долго служивший верой и правдой, чаще всего не умирает в одно мгновение – он, как и живой организм, постепенно стареет, утрачивая прежнюю прыть и требуя к себе бережного отношения. Опытные водители знают типичные признаки такой усталости: падает мощность, растет расход масла и топлива, затруднен холодный пуск.

Читать еще: Двигатель en07 характеристики вес

Обычно причиной является износ деталей поршневой группы – об этом свидетельствует равномерное падение компрессии (давления, развиваемое поршнем при сжатии смеси) во всех цилиндрах. И если ситуация не перешла в разряд критических, вернуть былую бодрость мотору можно малой кровью. Например, ограничиться лишь заменой поршневых колец — из-за конструктивных особенностей и жестких условий работы они больше других деталей поршневой группы подвержены износу.

Впрочем, иногда поршневые кольца приходится менять вскоре после переборки двигателя. Они теряют свои свойства (упругость, повреждение покрытия) из-за неквалифицированного монтажа колец на поршень и поршня в цилиндр, небрежной обкатки агрегата или установленных при ремонте деталей низкого качества – так ведут себя подделки под именитый бренд или низкосортный «ноунэйм». Кольцо, выполненное из несоответствующего материала и без необходимого покрытия, быстро изнашивается, выходит из строя и может повредить другие детали поршневой группы. Как минимальное зло — кольца перестают плотно прилегать к стенкам цилиндра и не обеспечивают должного уплотнения. Последствия: потеря двигателем мощности и повышенный расход масла и топлива.

С ремонтом тянуть не стоит. Долгая работа мотора с изношенными кольцами может привести к повреждению других деталей (поршней, цилиндров). И тогда двигатель точно придется «капиталить», а это повлечет куда большие денежные и временные затраты. Более того, мотор может сломаться в самый неподходящий момент: когда срочно нужно доставить груз клиенту или вдали от цивилизации, где отказ техники часто имеет трагические последствия. Но какие поршневые кольца выбрать, чтобы установить и больше про них не вспоминать?

Уж точно, не покупать «кота в мешке»! Не тот случай, когда стоит рисковать, ставя на карту здоровье двигателя. Берите запчасти в надежных магазинах и на хорошо зарекомендовавших себя интернет-ресурсах. А из брендов лучше предпочесть те, у которых большой опыт и заслуженное десятилетиями доверие потребителей.

Одним из ведущих производителей поршневых колец в мире на сегодняшний день является компания Nippon Piston Ring (NPR). У нее колоссальный опыт в разработке и изготовлении деталей для двигателя, ведь она была основана аж в 1931 году. Ее дочернее предприятие NPR of Europe (бренд NE) поставляет свою продукцию на конвейеры почти двух десятков легковых и грузовых автозаводов – в их числе Toyota, Mercedes, Mitsubishi, Audi, BMW, Renault, Volvo, Ford, Nissan, Mazda. А доверие автопроизводителей говорит о многом. Кроме того, поршневые кольца NE производится на собственных заводах компании в Японии, а уж японцы, как ни кто другой, строго следят за качеством выпускаемых деталей.

Уникальность деталей NE состоит в том, что поршневые кольца разрабатывает совместно с производителями двигателей. А это означает, что точно подобраны не только материалы и технологии производства, но и учтены специфические требования к деталям, работающим в конкретном моторе. Такой подход повышает эффективность работы и надежность деталей.

Один из трендов современного двигателестроения – это снижение массы деталей шатунно-поршневой группы. Чем поршень легче, тем меньше энергии требуется, чтобы его привести в движении. Соответственно, меньше расход топлива и количество вредных выбросов в атмосферу. Лишние граммы у поршня пытаются снять отовсюду – в том числе и с самой нагруженной верхней части, уменьшая высоту жарового пояса (расстояние от днища поршня до канавки первого кольца). При этом на поршневые кольца (особенно первое) приходятся более высокие тепловые и механические нагрузки. Применявшиеся ранее чугунные кольца в столь жестких условиях долго не проработают.

Поэтому верхние поршневые кольца NE сделаны из легированной стали. Они имеют более высокие теплостойкость и предел прочности, а значит, смогут взять на себя ту дополнительную нагрузку, которую сбросил с себя поршень, получив короткий жаровый пояс. Кроме того, у поршня можно уменьшить высоту канавок под кольца и расстояние между ними, чтобы он скинул драгоценные граммы.

Повышенную износостойкость стальных колец обеспечивают специальные покрытия – технологи NPR постоянно совершенствуют их рецептуру. Так первое компрессионное кольцо чаще всего имеет твердое хромовое покрытие и плюс мягкое олово для быстрой приработки. Второе компрессионное кольцо испытывает куда меньшие нагрузки, поэтому, как правило, его делают из чугуна. Но обязательно наносят оксид железа или фосфаты для хорошей приработки и защиты от износа. Третье, маслосъёмное кольцо, предназначено для снятия лишнего моторного масла, смазывающего поверхность цилиндра, поршня и компрессионных колец. Патент на трехкомпонентные маслосъемные кольца технологии Nifflex компания NPR приобрела более полувека назад. Конструкция осталась прежней и по сей день, но характеристики улучшились радикально. Такие кольца получили широкое распространение для бензиновых двигателей.

Из-за конструктивных просчетов многие современные моторы, даже будучи новыми, чрезмерно потребляют масло. Установка стальных колец NE не исправит ошибки разработчиков двигателей, но масложор немного усмирит. Эти кольца обладают более высоким коэффициентом упругости, и потому лучше прилегают к стенкам цилиндра, что позволяет снизить расход масла и улучшить герметизацию камеры сгорания. Кроме того, у стальных колец NE также ниже износ рабочей поверхности и, соответственно, больше срок службы.

В заключении — маленькая ремарка. Если случится менять кольца вместе с поршнями, учтите, что NE предлагает их в комплекте. Это не только удобно, но и надежно – производитель ручается за идеальную подгонку этих деталей и гарантирует их долгую бесперебойную работу.

Шатун поршня: назначение, конструкция, основные неисправности

Смотрите также

Шатун передает энергию от поршня к коленчатому валу. При этом он совершает два вида движения: круговое и возвратно-поступательное. Первое происходит в месте соединения его нижней головки с коленвалом, второе – в зоне соединения верхней головки с поршнем. Вследствие такой конструкции шатун постоянно испытывает высокие нагрузки во время работы.

Читать еще: Двигатель z14xep расход масла

Шатун поршня состоит из следующих элементов.

Поршневая головка

Верхняя (поршневая) головка представляет собой цельную неразборную конструкцию, которая соединяется с поршнем при помощи пальца: плавающего или фиксированного.

В верхней головке плавающего пальца обычно расположены бронзовые или биметаллические втулки. Если их нет, палец свободно двигается в отверстии головки шатуна. Для того, чтобы данный механизм функционировал нормально, ему требуется достаточное количество смазки.

Чтобы обеспечить необходимый уровень натяга, фиксированный палец вставляется в цилиндрическое отверстие меньшего диаметра.

Так как на верхнюю головку действуют очень высокие нагрузки, она имеет трапециевидную форму. Это позволяет увеличить опорную поверхность при работе поршня.

Кривошипная головка

Нижняя (кривошипная) головка соединяет коленчатый вал и шатун. Многие шатуны обладают разъемной кривошипной головкой, что зависит от метода сборки двигателя. Крышку головки с шатуном соединяют болты, штифты или бандажное крепление.

На каждый шатун можно установить только ту крышку, которой он оснащался с завода, так как она обладает определенным весом и размером. При ремонте данную деталь заменить нельзя.

По расположению стержня головка может быть прямой или косой. Последняя характерна для V-образных двигателей и используется для уменьшения размеров силового агрегата.

В нижней части шатунной головки располагаются подшипники скольжения, схожие с коренными вкладышами коленчатого вала. Их изготавливают из стальной ленты, которая изнутри обработана антифрикционным материалом с высокими износостойкими характеристиками. Особенностью этого слоя является то, что он работает только в присутствии моторного масла, а в режиме «сухого трения» очень быстро истирается.

Покрытие может наноситься как на заводе-изготовителе, так и при дальнейшем обслуживании двигателя в условиях гаража или автосервиса. Для защиты подшипников скольжения и других деталей силового агрегата оптимально подходит антифрикционное твердосмазочное покрытие MODENGY Для деталей ДВС.

Чаще всего его применяют на юбках поршней, дроссельных заслонках, вкладышах распредвала, подшипниках скольжения.

MODENGY Для деталей ДВС обладает следующими преимуществами:

Имеет широкий диапазон рабочих температур: от -70 до +260 °C

Повышает КПД двигателя

Снижает трение и износ

Защищает детали от задиров в режиме масляного голодания

Снижает расход топлива

Отверждается при комнатной температуре

Совместно с покрытием рекомендуется использовать Специальный очиститель‑активатор MODENGY. Он не только убирает разнородные загрязнения с поверхностей, но и образует пленку, улучшающую адгезию покрытия с основанием.

Силовой стержень

Силовой стержень многих шатунов имеет двутавровую форму и расширяется от верхней головки к нижней. В дизельных двигателях используются более прочные и массивные детали, чем в бензиновых. В спорткарах устанавливаются шатуны, изготовленные из алюминия. Благодаря такому решению снижается масса автомобиля.

Все шатуны должны иметь одинаковый вес, в противном случае усилятся вибрации при работе силового агрегата.

Из чего изготавливают шатуны?

Каждый производитель стремится уменьшить вес деталей КШМ и снизить производственные затраты. Но так как на шатуны в процессе работы двигателя воздействуют высокие нагрузки, уменьшать их массу нежелательно – это может пагубно отразиться на прочности изделий.

При массовом производстве шатуны для бензиновых двигателей изготавливают из специального чугуна методом литься. Это позволяет добиться практически идеального соотношения прочности и стоимости деталей.

В дизельных силовых агрегатах шатуны испытывают более высокие нагрузки, поэтому их производят из легированной стали методом горячей ковки или горячей штамповки. Получаемые детали прочнее, но при этом дороже литых.

В мощных автомобилях и спорткарах используются шатуны из титановых и алюминиевых сплавов. Они в два раза легче стальных и чугунных, что позволяет снизить вес двигателя и увеличить его оборотистость.

Большое значение играет конструкционный материал, из которого изготовлены болты крепления крышки шатунной головки. Их производят из высоколегированной стали, предел текучести которой в 2-3 раза больше, чем у обычной углеродистой.

Почему шатуны выходят из строя?

Основной причиной выхода шатунов из строя является износ деталей. Верхняя головка редко подвергается ремонту, а рабочий ресурс втулки нередко оказывается равен ресурсу самого двигателя.

Нарушение формы или разрушение шатуна может произойти вследствие гидроудара, попадания внутрь двигателя абразивных веществ и посторонних предметов, соударения головки блока и поршня.

Подшипники нижней головки могут выйти из строя вследствие недостаточного смазывания. Определить такую неисправность можно по замятию вкладышей, удлинению шатунных болтов, темно-синему окрасу шатунной головки и потемнению вкладышей.

К поломке шатуна приводит недостаточный уровень масла в двигателе, засорение масляного фильтра, загрязнение цилиндра абразивами и посторонними предметами.

Ремонт шатунов

Шатуны нуждаются в ремонте, если наблюдаются:

Износ зазора в верхней головке цилиндра

Износ поверхности и зазора в нижней части головки

Перед началом работ шатун тщательно осматривается, при помощи нутрометра измеряется диаметр детали, зазоры в верхней и нижней части.

Если все показатели в норме, менять шатун не потребуется. При деформации стержня отверстия головок перестают быть параллельными, что приводит к перекосу цилиндра. Об этом свидетельствуют повышенная шумность двигателя при работе на холостом ходу, следы износа на коленвале, головке шатуна, поршне и стенках цилиндра. Еще одним методом проверки шатуна на деформацию является его раскачка на специальной проверочной плите.

После проведения всех необходимых измерений приступают к ремонту.

Чтобы получить нужную геометрию зазора нижнего шатуна, необходимо убрать небольшое количество металла с поверхности крышки головки. После этого крышка ставится назад и фиксируется при помощи болтов.

Расточка отверстия головки по требуемому размеру производится на расточном или универсальном станке. После операции выполняется хонингование.

Если зазор под поршневой палец увеличен, бронзовая втулка под верхнюю головку меняется, и новая деталь принимает нужный размер. Очень важно, чтобы отверстия головки и втулки совместились. В этом случае масло не будет попадать на поршневой палец.

Шатунные вкладыши и юбки поршней рекомендуется дополнительно обработать антифрикционным покрытием.