Пистон — деталь механизмов и двигателей¶
Пистон — это цилиндрическая деталь, совершающая возвратно-поступательное движение внутри цилиндра и служащая для преобразования тепловой энергии в механическую работу (в двигателях) или, наоборот, механической работы в сжатие газа (в компрессорах, насосах). Термин происходит от латинского pistōn — «толкатель». Пистоны применяются во внутренних сгорания двигателях, паровых машинах, компрессорах, гидравлических и пневматических приводах, а также в ряде измерительных приборов.
¶Устройство и конструкция
Типичный поршневой пистон состоит из следующих элементов:
- Днище — верхняя часть, воспринимающая давление газа или жидкости. Форма днища зависит от назначения: выпуклая или плоская — в бензиновых двигателях, с выемкой (камерой сгорания) — в дизелях.
- Поршневые кольца — устанавливаются в канавки на боковой поверхности и обеспечивают герметичность, отвод тепла к стенкам цилиндра и снятие масляной плёнки. Различают компрессионные (газовые) и маслосъёмные кольца.
- Канавки под кольца — проточки на цилиндрической поверхности.
- Поршневой палец (втулка) — полый стальной цилиндр, соединяющий пистон с шатуном. Может быть плавающим (самоцентрирующимся) или закреплённым в одном из элементов.
- Бобышки — выступы с отверстиями под палец.
- Направляющая юбка — нижняя часть пистона, стабилизирующая его положение в цилиндре.
Материалом для изготовления пистонов двигателей внутреннего сгорания чаще всего служат алюминиевые сплавы (например, силумины), обладающие малой плотностью и хорошей теплопроводностью. В тяжёлых дизелях и некоторых компрессорах применяют чугун и сталь. Для снижения трения поверхность юбки может покрываться антифрикционными составами, а в канавки под кольца вставляются стальные вкладыши.
¶Работа в двигателе внутреннего сгорания
В двигателе внутреннего сгорания пистон совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре, преобразуя давление горящих газов в поступательное движение шатуна, которое затем через кривошипно-шатунный механизм преобразуется во вращение коленчатого вала.
Рабочий цикл четырёхтактного двигателя включает:
- Впуск — пистон движется вниз, открывается впускной клапан, в цилиндр поступает топливовоздушная смесь.
- Сжатие — пистон движется вверх, сжимая смесь; оба клапана закрыты.
- Рабочий ход — после воспламенения смеси расширяющиеся газы толкают пистон вниз.
- Выпуск — пистон движется вверх, вытесняя отработавшие газы через открытый выпускной клапан.
В двухтактном двигателе эти процессы совмещены: рабочий ход и выпуск происходят в одном такте, впуск и сжатие — в другом.
¶Классификация
Пистоны различают по нескольким признакам:
| Признак | Виды |
|---|---|
| Назначение | Двигатели внутреннего сгорания, компрессоры, паровые машины, гидроцилиндры |
| Форма днища | Плоская, выпуклая, с камерой сгорания |
| Конструкция юбки | С длинной юбкой, с короткой юбкой, биметаллические |
| Количество поршневых колец | От 2 до 5 и более |
| Материал | Алюминиевый сплав, чугун, сталь, керамика |
В гидравлических цилиндрах пистоны часто изготавливают из стали и снабжают уплотнительными манжетами вместо колец.
¶Компрессоры и насосы
В компрессорах пистон сжимает газ до заданного давления, в насосах — перемещает жидкость. Принцип действия аналогичен двигателю, но энергия подводится извне (от электродвигателя или другого привода). Поршневые компрессоры широко применяются в промышленности, холодильной технике, пневмоинструменте и медицинском оборудовании.
¶Дефекты и ресурс
Основные виды износа пистона:
- Износ юбки — трение о стенки цилиндра, приводит к потере компрессии и «масложору».
- Задиры — возникают при перегреве, недостатке смазки или попадании посторонних частиц.
- Поломка канавок под кольца — следствие детонации или перегрева.
- Разрушение пальца — при чрезмерных нагрузках или дефектах материала.
Ресурс пистонов бензиновых двигателей обычно составляет 200–300 тысяч километров пробега, дизельных — до 500 тысяч и более, при условии своевременного обслуживания. При капитальном ремонте двигателя пистоны, как правило, заменяют новыми или подгоняют под ремонтный размер цилиндров.
¶Интересные факты
- В русском языке слово «поршень» является калькой с немецкого Piston, заимствованного в свою очередь из французского; термин «пистон» чаще используется в музыке — так называют медный духовой инструмент (труба, валторна).
- В некоторых ранних паровых машинах XVIII века пистоны отливались из чугуна и обрабатывались вручную; точность их подгонки к цилиндру была главной технической задачей при постройке машин.
Источники:
- Войлошников А. В., Волков А. И. «Конструкция и расчёт автомобильных двигателей»
- Кульчевский В. А. «Поршневые компрессоры»
- «Большая техническая энциклопедия» (статья «Поршень»)
- ГОСТ 29305-94 «Поршни цилиндровые двигателей внутреннего сгорания. Технические условия»