Поршень — устройство, изготовление и ремонт¶

Поршень — подвижный элемент кривошипно-шатунного механизма тепловых двигателей, компрессоров и насосов, преобразующий энергию расширяющихся газов или давление жидкости в возвратно-поступательное движение. Поршень воспринимает нагрузку от рабочего тела и передаёт её через шатун на коленчатый вал. Изготовление поршня относится к точному машиностроению: от геометрической точности профиля, балансировки массы и качества поверхности зависит ресурс всей поршневой группы.

¶Конструкция и основные элементы

Типовой поршень двигателя внутреннего сгорания состоит из следующих элементов:

• Днище — верхняя часть, воспринимающая давление газов. Форма днища зависит от типа двигателя: выпуклая, вогнутая, с выемками под клапаны, с камерой сгорания.
• Поршневые кольца — устанавливаются в канавки на цилиндрической поверхности. Разделяются на компрессионные (два-три штуки) и маслосъёмное (одно). Обеспечивают уплотнение и отвод масла со стенок цилиндра.
• Канавки под кольца — протачиваются на станке с точностью до сотых долей миллиметра.
• Поршневой палец — полый стальной цилиндр, соединяющий поршень с шатуном. Фиксируется стопорными кольцами.
• Бобышки — проушины под палец.
• Юбка — нижняя цилиндрическая часть, направляющая поршень в цилиндре. Нередко на юбку наносится антифрикционное покрытие (молибден, графит).
• Канавка под сальник — в дизельных двигателях.

¶Материалы

Основной материал поршней — алюминиевые сплавы (АК12, АК9ч, АЛ25, сплавы системы алюминий-кремний-медь). Литьём под давлением изготавливают большинство автомобильных поршней. Для тяжёлых дизелей и судовых двигателей применяют чугун (серый или высокопрочный), а также сталь. Стальные поршни получают механической обработкой из поковок.

¶Изготовление поршня

¶Литьё

Серийное производство основано на литье под давлением в металлические формы. Заготовка получается с припуском 0,3–0,5 мм под последующую обработку. Литейный процесс включает подготовку сплава, заливку, кристаллизацию, выбивку и термообработку (закалка и старение) для получения нужной твёрдости — обычно 95–120 HB.

¶Механическая обработка

Последовательность операций при изготовлении поршня из заготовки:

1. Черновое и получистовое точение на токарном станке — обработка наружного диаметра, днища, внутренней полости.
2. Проточка канавок под кольца — на станке с ЧПУ или на кольцепроточном станке. Ширина канавки 1,5–3 мм, допуск по ширине ±0,01 мм.
3. Сверление отверстий под палец — на станке-вертикально-сверлильном или обрабатывающем центре. Допуск на диаметр — H7.
4. Обработка юбки — финишное точение или шлифование до класса шероховатости Ra 0,8–1,6 мкм.
5. Фрезерование профилей — выемки под клапаны, компенсационные пазы на юбке (направляющие «лапки»).
6. Шлифование днища — для подгонки объёма камеры сгорания.
7. Динамическая балансировка — масса пары поршней в одном цилиндре подбирается с точностью до 1–2 г.

¶Покрытия

На завершающем этапе на юбку наносят покрытия: ставит-алюминий (антифрикционный слой), графит, молибден. Нанесение — методом плазменного напыления или химического осаждения.

¶Ремонт поршней

В условиях ремонтного производства поршень восстанавливают несколькими способами:

• Замена на ремонтный размер — юбка уменьшается, поршень подгоняется под расточенный цилиндр. Ремонтные размеры: +0,25, +0,50, +0,75, +1,00 мм.
• Замена поршневого пальца — при износе отверстий под палец растачивают под ремонтный палец или наплавляют бобышки.
• Наплавка и расточка юбки — применяется при локальных повреждениях.
• Восстановление канавок под кольца — проточка под увеличенную ширину кольца или наплавка с последующей проточкой.

¶Проверка качества

После изготовления или ремонта поршень контролируют по следующим параметрам:

¶Изготовление поршня в домашних условиях

Самостоятельное изготовление поршня для малотактного двигателя или мотопомпы возможно на токарном станке с минимальным набором инструментов: резцы по алюминию, развертка под палец, кольцепроточная резка. Требуется соблюсти:

1. Точность обработки юбки — не хуже h6.
2. Свободный ход колец в канавке (зазор по высоте 0,02–0,05 мм).
3. Зазор в стыке кольца 0,15–0,4 мм.
4. Соосность отверстия под палец с осью юбки — не более 0,01 мм.

При отклонении от этих значений двигатель теряет мощность, перегревается и быстро изнашивается.

¶Интересные факты

• Масса типового автомобильного поршня бензинового двигателя — 300–500 г, дизельного — 700–1200 г.
• Скорость поршня в цилиндре при 6000 об/мин может превышать 20 м/с.
• В роторных двигателях (Ванкель) и газотурбинных установках поршни не применяются.

¶Источники

• Квасов В. П., Федоренко А. М. «Конструкция и расчёт автомобильных двигателей»
• «Справочник конструктора-машиностроителя» в 3 томах, под редакцией Орлова П. И.
• ГОСТ 1583-93. «Сплавы алюминиевые литьевые»
• Статьи журнала «Двигатели» (ВНИИД)