Кольца поршневые

Кольца поршневые

Поршневое кольцо. Устройство, назначение

Достаточно длительное время тема поршней и поршневых колец широко обсуждалась среди производителей двигателей. Компании пытались придать разные формы поршням, изменяя конструкцию и тепловые характеристики материалов - то же самое можно отнести и для поршневых колец. Кстати, поршневые кольца стали меньше, различных форм и материалов.

поршневое кольцо

Как же определиться с выбором комплекта поршней и колец, когда речь идет об эффективности, мощности и долговечности? Скорее всего однозначного ответа на этот вопрос не будет! Техники гоночных команд используют различные конструкции поршней в тестах на выносливость. Полученные ими результаты не редко проникают в производство легковых автомобилей, влияя на устройство бензиновых и дизельных двигателей.

Назначение

Из всего множества деталей автомобиля одним из наиболее важных и сложных компонентов двигателя внутреннего сгорания является поршневое кольцо.

Во-первых, эта маленькая, нежная часть двигателя, неприглядная простому водителю, выполняет функцию герметизации камеры сгорания, выдерживает возрастание давления при сжатии топливовоздушной смеси бензина или дизельного топлива, воспламенение и сгорание. Данный элемент должен сдержать взрыв динамита и сохранить герметичность цилиндра! Во-вторых, кольцо должно передавать тепло от поршня к стенке цилиндра. Следующая её важная функция. В-третьих, кольца должны контролировать наличие масла в камере сгорания.

История

Вы когда-нибудь задумывались, как были изобретены поршневые кольца? Человек по имени Джон Рэмсботтом догадался разрезать поршневое кольцо еще в конце 1800-х годов. До того времени в качестве уплотнения поршней в паровом двигателе применялась охапка пеньки, связанная из волокон стеблей конопли. Преимущества разрезного кольца были подавляющими с точки зрения мощности, эффективности и технического обслуживания.

Для того, чтобы понять, как далеко шагнул прогресс в плане материала и размера поршневого кольца, взглянем на то с чего начали и чему научились производители.

Давайте начнем с чугуна. Этот материал для поршневых колец используется до сих пор, поскольку имеет большую устойчивость к трению, обеспечивая уплотнение стенок цилиндра. При увеличении рабочих нагрузок двигателя использование чугунного уплотнения стало проблемой.

Применение верхнего уплотнительного кольца из чугуна требовало наносить покрытие дисульфида молибдена или хрома, чтобы предотвратить износ. Второе кольцо применялось, как правило, без покрытия. Чугун очень хрупкий материал и ломается при больших нагрузках. Под микроскопом чугунное кольцо имеет острые прямоугольные зерна, которые легко переламываются.

С точки зрения изготовления, чугунные кольца проходят длинную стадию производственных шагов. Одним из способов является отливка чугуна в виде цилиндра, вырезание сердцевины чугунной чушки под желаемый внутренний диаметр обрабатываемого кольца. Получив полый цилиндр нарезают кольцами, как буханку хлеба. Далее доводят до точных допусков применения.

Другой способ изготовления чугунных колец заключается в создании шаблона. Чугун заливают в поршень кольцевой формы. Затем подвергают механической обработке. Изготовление уплотнительного кольца из чугуна доступно из-за свойств материала, но требует приложения усилий для достижения конечного результата и переработки отходов производства.

В качестве следующего материала для уплотнительных колец был использован высокопрочный чугун, применяемый в газовых и дизельных двигателях. Ковкий чугун также известен как магниевый чугун, пластичный чугун. Под микроскопом он имеет закругленную форму зерен, которые формируются при нагреве графита в процессе плавки. Кольцо из пластичного чугуна в два раза прочнее обычного, имеет большую прочность на разрыв и используется в мощных двигателях с турбонаддувом. Такой чугун можно скрутить как крендель и не сломать.

Чугунные верхние кольца дизельных двигателей напоминали форму трапеции, боковой и кольцевой паз поршня имел форму треугольника. Движение вверх-вниз помогало в очистке канавки и поршня от углеродистых отложений, хотя дизельное топливо не было столь чистым. В настоящее время, с модернизацией устройств за контролем выбросов дизельных двигателей, нагар и отложения неизбежны на клапанах и кольцах, приводя к их поломке.

Для того, чтобы выяснить состав материала уплотнительных колец двигателя, есть простой способ: уронить поршневое кольцо на стол. Если при падении раздался звон это высокопрочный чугун. Если слышен глухой звук, то, скорее всего, это чугун.

Современный дизайн

Современные технологии сделали кольца тоньше из-за преимущества стальных колец. Они крепче чем высокопрочный чугун, износоустойчивы. Важным плюсом стального кольца является простота изготовления, из стальной проволоки подобранной по диаметру. Производство стальных поршневых колец технически дешевле, экономически оправдано, без дополнительных отходов, меньше число стадий производства. Стальное кольцо способно выдержать больший тепловой стресс от жестких условий эксплуатации и при этом сохранять форму. Например, если измерить при покупке размер зазора кольца — 1,5 см, после установки в двигатель - зазор 0,2 см. Через год работы свободный зазор 1 см. Это считается нормальным и показывает, что стальное кольцо термически стабильно, но оно не выдерживает долгих нагрузок детонации.

Стальные кольца обеспечивают лучшее уплотнение. Верхнее кольцо обычно имеет скос на внутренней стороне верхней поверхности. В цикле воспламенения тонкое верхнее кольцо упирается в нижнюю часть верхней канавки поршня, прижимаемое давлением газа.

Защитное покрытие

  • Молибден - высоко устойчивый материал. При нанесении на кольцо поверхность становится пористой, улавливая излишки, проникающего в цилиндр, масла. Молибден имеет очень высокую температуру плавления, позволяя ему находить применение в жестких условиях.
  • Хром - твердое покрытие используемое в суровых климатических условиях и гонках, «сопротивляется» проникающей в цилиндры грязи и прочему мусору, выбрасывая их через выпускной клапан.
  • PVD покрытие — нанесение напыления высоко качественного титана или хрома в условиях вакуума под воздействием тепла или индукции ионов с применением химически активного газа. Это напыление тонкой равномерной пленки на кольце придаёт ему твёрдость, гладкость и упругость.
  • Азотирование - процесс пропитывания поверхности кольца азотом, упрочняющий материал на глубину 0.01мм, повышая уровень жесткости.
  • Черный Фосфат - антикоррозионное покрытие, наносимое на все кольца для транспортировки и хранения.

Что ещё следует упомянуть. Второе уплотнительное кольцо производители делают из чистого, пластичного чугуна и стали без нанесения защитного покрытия, так как не обнаружили особых преимуществ данного метода. Вторые кольца скошены на нижней кромке, чтобы вызвать торсионный изгиб с конической поверхностью для смыва с цилиндра масла.

Использование алмазных колец становится очень популярным. Имейте в виду, что из-за их точного допуска следует подбирать поршень к кольцу, а не наоборот. За повышенным люфтом следует заклинивание поршня в цилиндре.

На заметку

Зеркально гладкие стенки цилиндра не позволят поршневым кольцам в полной мере удерживать масло, как бы парадоксально это не показалось. Более гладкие, в данном случае, не означает снижение трения. Слишком гладкая поверхность может фактически привести к ускоренному износу колец и разрушению цилиндра.