реферат поршень
У конструкції поршня прийнято виділяти такі елементи (рис. 5.1):
На рис. 5.2 і 5.3 представлені найбільш типові в даний час Конструкції поршнів автотракторних двигунів різного типу.
Складна конфігурація поршня, швидко мінливі за величиною і напрямком теплові потоки, що впливають на його елементи, призводять до нерівномірного розподілу температур за його обсягом і, як наслідок, до значних змінним за часом локальним термічним напруженням і деформацій (рис. 5.4).
Теплота, що підводиться до поршня через його головку, контактує з робочому тілом в циліндрі двигуна, відводиться в систему охолодження через окремі його елементи в наступному співвідношенні,%: в охлаждаемую стінку циліндра через компресійні кільця - 60. 70, через спідницю поршня - 20. 30 , в систему змащення через внутрішню поверхню днища поршня - 5. 10. Поршень також сприймає частину теплоти, що виділяється в результаті тертя циліндра і поршневої групи.
КОНСТРУКТИВНІ ПАРАМЕТРИ ОСНОВНИХ
При проектуванні поршня використовуються статистичні дані за конструктивними параметрами його елементів, віднесених до діаметру циліндра 1) (рис. 5.5, табл. 5.1).
Висота поршня Н визначається в основному висотою головки h При малій Н істотно зростає вплив на характер руху поршня недотримання при виробництві та експлуатації зазорів, що допускаються між його елементами і дзеркалом циліндра, що може інтенсифікувати процеси перекладин, порушення газо- і маслоуплотненія, підвищені знос стінок канавок компресійних кілець.
Висота головки поршня визначає його габарити і масу, в зв'язку з чим її вибирають мінімально необхідної для забезпечення нормального температурного режиму її елементів. Особлива увага при цьому звертається на температуру в зоні канавки верхнього компресійного кільця і в бобишках поршня.
МАТЕРІАЛИ І ТЕХНОЛОГІЯ ВИГОТОВЛЕННЯ ПОРШНІВ
Для виготовлення поршнів автотракторних ДВС в даний час в основному використовують алюмінієві сплави, рідше сірий або ковкий чавун, а також композиційні матеріали.
Алюмінієві сплави мають малу щільність, що дозволяє знизити масу поршня і, отже, зменшити інерційні навантаження на елементи циліндропоршневої групи і КШМ. При цьому спрощується також проблема зменшення термічного зі спротиву елементів поршня, що в поєднанні з хорошою теплопровідністю, властивої даними матеріалами, дозволяє зменшувати теплонапряженность деталей поршневої групи. До позитивних якостей алюмінієвих сплавів слід віднести малі значення коефіцієнта тертя в парі з чавунними або сталевими гільзами.
Однак поршням з алюмінієвих сплавів властивий ряд серйозних недоліків, основними з яких є невисока втомна міцність, зменшується при підвищенні температури, високий коефіцієнт лінійного розширення, менша, ніж у чавунних поршнів, зносостійкість, порівняно велика вартість.
Збільшення вмісту Si в сплаві призводить до зменшення коефіцієнта лінійного розширення, до підвищення термо- і зносостійкості, але при цьому погіршуються його ливарні якості і зростає вартість виробництва.
Для поліпшення фізико-механічних властивостей силумінів в них вводять різні легуючі добавки. добавка в алюмінієво-кремнієвий сплав до 6% міді призводить до підвищення втомної міцності, покращує теплопровідність, забезпечує гарні ливарні якості і, отже, меншу вартість виготовлення. Однак при цьому дещо знижується зносостійкість поршня. Використання в якості легуючих добавок натрію, азоту, фосфору збільшує зносостійкість сплаву. Легування нікелем, хромом, магнієм підвищує жароміцність і твердість конструкції.
Заготовки поршнів з алюмінієвих сплавів отримують шляхом виливки в кокіль або гарячим штампуванням. Після механічної обробки вони піддаються термічній обробці для підвищення твердості, міцності і зносостійкості, а також для попередження викривлення при експлуатації. Ковані поршні поки використовуються рідше, ніж литі.
Чавун як матеріал для поршнів в порівнянні з алюмінієвим сплавом володіє наступними позитивними властивостями: більш високими твердістю і зносостійкість, жароміцність, однаковим коефіцієнтом лінійного розширення з матеріалом гільзи. Останнє дозволяє істотно зменшити і стабілізувати по режимам роботи зазори в зчленуванні спідниця поршня - циліндр. Однак велика щільність не дозволяє використовувати його широко для поршнів високооборотних автомобільних двигунів. Даний недолік може бути частково знівелював включенням в структуру чавуну кулястого графіту, що дозволяє відливати елементи поршня істотно меншої товщини. Як випливає зі сказаного вище, ні силуміну, ні чавун в повній мірі не є оптимальними матеріалами для виготовлення поршнів.
У зв'язку з цим в даний час ведеться активна робота по використанню для поршнів керамічних матеріалів. які найкращим чином відповідають вимогам, що пред'являються до матеріалів поршневий групи. Це мала щільність при високій міцності, термо-, хіміко і зносостійкості, низьку теплопровідність і необхідному значенні коефіцієнта лінійного розширення.
Один з практичних способів використання кераміки полягає у виготовленні деталей поршня з метало або полімерокомпозіціонних матеріалів. Матрицею (основою) першого типу матеріалів є алюміній або магній, а в якості наповнювача використовують керамічні та металеві порошки або тягла пористих матеріалів. Основу полімерокомпозіціонних матеріалів складають полімерні матеріали з наповнювачем з волокон вуглецю, скла, порошків металів або кераміки. Вони володіють малою щільністю, високими антифрикційними властивостями і застосовуються для елементів з невеликими тепловими навантаженнями, наприклад для виготовлення спідниці поршня.
Перспективним є армування елементів поршня керамічними волокнами з оксиду алюмінію та діоксиду кремнію.
Основними проблемами, що стримують широке використання кераміки для виготовлення поршнів автотракторних двигунів, є крихкість, низька міцність на вигин, схильність до утворення тріщин і втоми, а також висока вартість.
Матеріал поршня повинен бути можливо малої щільності, мати низький коефіцієнт лінійного розширення, володіти зносостійкістю, високою теплопровідністю, в тому числі при підвищених температурах, мати гарну оброблюваність. При цьому важливими є комплексні характеристики матеріалу, а не тільки окремі його властивості. Так, рівень термічних напружень залежить від величини Еt і т.д. Залежно від призначення двигуна і типу конструкції поршня можуть бути застосовані різні матеріали. Поршні двигунів багатьох типів, насамперед автомобільних і тракторних, виготовляють з легких сплавів литтям в кокіль або штампуванням. У першому випадку застосовуються евтектичних силуміну типу 4Л25 (11-13% Si) і заевтектичних. містять присадки міді, нікелю, магнію і марганцю. Поршні штампують із сплавів АК4 і АК4-1, що відрізняються високими властивостями міцності при підвищених температур.
Незважаючи на те, що маса поршнів з алюмінієвого сплаву менше маси поршнів з чавуну, останній також застосовується для виготовлення поршнів швидкохідних двигунів. З легованого сірого і високоміцного чавунів типів СЧ 24-СЧ 45 і ВЧ 45-5 виготовляють поршні форсованих тепловозних і середньооборотних двигунів. При підвищеній в порівнянні з алюмінієвими сплавами температурі плавлення чавуну усувається обгорання крайок на поверхнях, звернених до камери згоряння.
У складених порушених для виготовлення головки застосовують жаростійкі сталі типу 2ОХЗМВФ. На виготовлення зі сталі переходять, якщо максимальна температура в найбільш нагрітих зонах поршня перевищує орієнтовно 450С. У ряді випадків (накладки поршнів двотактних двигунів) застосовують високолеговані жароміцні стали. У табл. 11 наведені деякі теплофізичні і механічні характеристики ряду матеріалів поршнів з урахуванням залежності їх від температури.
