Типы поршневых колец

Конструкция ПОРШНЕВЫх КОЛец

Для лучшего уплотнения, уменьшения напряжения смятия на торцах поршневых колец, износа и работы трения кольца следует делать с меньшей высотой и большей радиальной толщиной. Применение поршневых колец с малой высотой позволяет уменьшить высоту уплотняющей части поршня и, следовательно, время приработки. Минимальная высота поршневого кольца определяется его прочностью при обработке, монтаже и эксплуатации, а максимальная толщина ограничивается напряжением, возникающим при надевании кольца на поршень, а также неизбежным при этом утолщением уплотняющей части поршня.

С увеличением высоты колец возрастают износ канавок вследствие увеличения сил инерции массы колец, силы трения и износ гильз. Установлено, что с повышением числа оборотов коленчатого вала следует уменьшать высоту колец.

Поршневые кольца имеют прямоугольное, трапецеидальное и другие сечения.

Широко применяемые ранее кольца с простейшим прямоугольным сечением из-за ряда недостатков в настоящее время используются редко (ЯАЗ-204 и др.). Для улучшения приработки применяют кольца с конической поверхностью . Угол наклона |3 образующей рабочей поверхности таких колец рекомендуется принимать в пределах 15—30′. В некоторых случаях этот угол достигает значительно больших величин (до 15°). Кольца с конической поверхностью соприкасаются со стенкой цилиндра узкой полоской, что сильно повышает в этом месте удельную нагрузку и ускоряет приработку кольца. При движении такого кольца вверх скапливающееся в коническом кармане масло улучшает смазку цилиндра, при движении вниз кольцо острой нижней кромкой счищает масло. При наличии конуса на рабочей поверхности первого поршневого кольца имеется опасность его отжимания от цилиндра в момент максимального давления газов в цилиндре. Для поршневых колец, принимают высоту цилиндрического пояска с =- 4Sb(где Ъ — высота кольца).

Часто недостаточно обоснованно считают, что замок ступенчатой формы обеспечивает наименьшую утечку газов. Такую конструкцию в основном применяют в тихоходных двигателях. В быстроходных двигателях разница в величине утечки для замков различной формы незначительна, поэтому в этих двигателях обычно применяют замки.

Замки других форм при малой высоте колец не применяются из-за возможной поломки их при надевании на поршень.

Наибольшее распространение в современных автомобильных двигателях приобрели кольца с прямым замком, который наиболее прост в изготовлении и почти не увеличивает пропуска газов по сравнению с замками других типов.

Наружные кромки поршневых колец должны быть закруглены дляулучшениязаклиниваниямасляногослоя(остраякромка компрессионного кольца разрушает масляную пленку), также как и кромкизамка.

В последние годы все большее применение получают стальные витые компрессионные кольца тарельчатой формы , изготавливаемые из стальной калиброванной ленты толщиной 0,5—0,7 мм методом холодной навивки. В поршневой канавке устанавливают три-четыре таких кольца. Стальные витые кольца используют как в новых, так и в ремонтируемых двигателях. Эти кольца не применяют в качестве первого компрессионного кольца, поскольку они не обеспечивают необходимого отвода теплоты от верхней части поршня. Износостойкость стальных поршневых колец выше, чем чугунных (срок службы их на 40—60% больше, чем чугунных). Цилиндры и поршни, работающие в сочетании со стальными кольцами, изнашиваются менее интенсивно, чем при чугунных кольцах. Срок службы цилиндров и поршней увеличивается почти вдвое.

Для увеличения срока службы поршневых колец применяют расширители, которые создают дополнительное радиальное давление поршневого кольца при уменьшении упругости последнего вследствие износа. Расширители, представляющие собой пластинчатые пружины, устанавливают в пространство радиального зазора поршневого кольца; радиальная ширина кольца в этом случае несколько уменьшается. Расширители такого типа пока применяют только для маслосъемных поршневых колец.

Маслосъемные поршневые кольца служат для регулирования подачи масла на боковую поверхность поршня и к компрессионным поршневым кольцам, снятия со стенок цилиндра излишков масла и направления его в картер двигателя,чтобыононе попадало в камерусгорания.Маслосъемные ПОрШнеВЫеКОЛЬЦй ОКЭзываютвысокоедавление на стенку цилиндра вследствие малой величины трущейся поверхности кольца. Среднее давление равно 400 кн/м2 (4 кГ/см2) и более. Высота маслосъем-ного кольца больше, чем компрессионного.

Зазоры между торцом маслосъемного кольца и боковыми стенками канавки в поршне весьма малы. В кольцах имеются полости, где собирается и через отверстия в которых удаляется масло, снимаемое со стенок цилиндра.

Получили распространение составные стальные масляные кольца , состоящие из двух концевых стальных дисков 1 и двух расширителей: осевого 2 и радиального 3.

Для повышения износостойкости у диска 1 хромируют рабочую и торцевую поверхности. Составные кольца хорошо уплотняют гильзу и обеспечивают эффективный съем масла.

Конструкция и форма поршневых колец

Материалы для изготовления поршневых колец выбираются по наличию у них антифрикционных свойств и по условиям, при которых должны работать поршневые кольца. Хорошая эластичность и коррозионная стойкость важны точнотакже, как и высокая сопротивляемость по отношению к повреждениям при экстремальных условиях эксплуатации. Серый чугун является на сегодняшний день ещё основным материалом, из которого изготавливаются поршневые кольца. С трибологической точки зрения серый чугун, с содержащимся в его структуре прослойками графита, обладает отличными антифрикционными свойствами (сухое смазывание графитом).

Они важны особенно тогда, когда смазывание больше не обеспечивается моторным маслом или маслянистая плёнка уже разрушена. Кроме того, графитовые жилки в структуре кольца являются своеобразным масляным резервуаром и при неблагоприятных условиях эксплуатации мешают разрушению маслянистой плёнки.

В качестве разновидностей серого чугуна используются следующие материалы:

• Чугун с пластинчатой структурой графита (чугун с пластинчатым графитом), обогащённый и необогащённый.

• Чугун с глобулярной структурой графита (чугун с шаровидным графитом), обогащённый и необогащённый.

Процесс литья поршневых колец

В качестве стальных материалов используются хромистая сталь с мартенситной микроструктурой и пружинная сталь. Для повышения износостойкости поверхности колец подвергаются закалке. Это происходит, как правило, с помощью нитрирования*.

* Нитрирование обозначается на языке специалистов также, как азотирование (подача азота) и представляет собой метод для закалки стали. Нитрирование проводится, как правило, при температуре от 500 до 520 °С. Время обработки - от 1 до 100 ч. На поверхности детали благодаря прямой диффузии азота образуется очень твёрдый поверхностный слой межсоединений из нитрида железа. В зависимости от времени обработки он может достигать толщины в 10-30 мкм. Распротранёнными методами являются нитрирование в соляной ванне (например, коленчатых валов), газовое азотирование (поршневых колец) и нитрирование плазмой

Материалы для покрытия рабочей поверхности

На рабочие пояски или рабочие поверхности поршневых колец для улучшения трибологических* свойств можно наносить покрытие. При этом, прежде всего, на первом плане стоит повышение износостойкости и обеспечение смазывания и уплотнения в экстремальных условиях эксплуатации. Материал для покрытия должен гармонировать как с материалами, из которых изготовлены поршневое кольцо и стенка цилиндра, так и со смазкой. Использование покрытия рабочей поверхности у поршневых колец нашло широкое распространение. Часто кольца двигателей серийного производства имеют покрытие из хрома, молибдена и феррооксида.

Но используются также и кольца с CKS (слоями хрома - керамики) или с покрытием, нанесённым методом физического отделения из парообразной фазы (PVD = Physical Vapour Deposition). Нитрид титана (TiN) и азотистый хром (CrN) используются при более мелких сериях производства (прежде всего, у гоночных двигателей).

* Трибология (греч.: учение о трении) включает в себя исследования и технологию действующих изменений поверхностей, движущихся относительно друг друга. Эта наука занимается описанием трения, износа и смазывания.

Молибденирование

Во избежание следов пригара рабочая поверхность компрессионных колец (только не маслосъёмных колец) может быть наполнена молибденом или по всей поверхности им покрываться. Это может происходить как в процессе газопламенного, так и в процессе плазменного напыления. Молибден гарантирует из-за его высокой точки плавления (2620 °С) более высокую термостойкость. Кроме того, благодаря этому методу нанесения покрытия, можно получить пористую структуру материала. В возникающих из-за этого микропустотах на рабочей поверхности колец (рис. 2) может собираться моторное масло, которое гарантирует, что даже при экстремальных условиях эксплуатации ещё имеется достаточно смазки для рабочей поверхности кольца.

Свойства:

• Высокая термостойкость,

• Хорошие антифрикционные свойства.

• Более мягкий чем хром.

• Менее износостойкий чем хромовые кольца (более восприимчив к загрязнениям).

• Более восприимчив к вибрации поршневых колец (вследствие этого выбросы молибдена при экстремальных нагрузках, таких, как, напр., детонационное сгорание и др. сбои процесса сгорания).

Хромирование

Хромовое покрытие может наноситься как гальваническим методом, так и методом плазменного напыления. У маслосъёмных поршневых колец применяется гальваническое нанесение покрытия.

Свойства:

• Большой срок службы (износостойкость).

• Твёрдая,нечувствительная поверхность.

• Меньший износ цилиндров (примерно 50% по сравнению с кольцами без покрытия).

• Хорошая сопротивляемость по отношению к следам пригара.

• Антифрикционные свойства хуже чем при молибденировании.

• По причинехорошей износостойкости необходимо больше времени для приработки, чем у неармированных, маслосъёмных со стальными пластинками или U-образных пружинных маслосъёмных поршневых колец.

Виды покрытия рабочей поверхности кольца

Рис. 4 - Полностью с покрытием

Рис. 5 - Со вставкой с нанёсенным покрытием в рабочей поверхности кольца

Рис. 6 - Снеподной наружной оболочкой с одной стороны

Отслаивание покрытия

Время от времени происходит отслаивание напылённого молибденом и феррооксидом покрытия рабочей поверхности. Причиной этому являются в основном ошибки при монтаже поршневых колец (слишком сильное растягивание при надевании на поршень и натягивание колец, как показано на рисунке 1). При неправильном надевании колец на поршень покрытие разламывается только на спинке кольца (рис. 2). Если нанёсеное покрытие на стыковых концах отслаивается (рис. 3), то это указывает на вибрацию поршневого кольца из-за сбоя процесса сгорания (напр., детонационное сгорание).

Рис. 1

Рис. 2

Обработка рабочей поверхности (обтачивание, притирка, шлифование)

Рабочие поверхности поршневых колец из чугуна, как правило, подвергаются только тонкой обточке. Из-за небольшого времени приработки неармированных колец отказываются от обработки рабочей поверхности шлифованием или притиркой. Рабочие поверхности с нанесённым покрытием или подверженные закалке либо только шлифуются, либо притираются. Причина этого состоит в том, что благодаря хорошей износостойкости это длилось бы очень долго до тех пор, пока кольца приняли бы круглую форму и стали бы хорошо уплотнять. Результатом были бы потеря мощности и высокий расход масла.

Рис. 4

Выпуклая форма рабочей поверхности

Следующая причина для использования процесса шлифования или притирки это форма рабочей поверхности. Поршневые кольца прямоугольного сечения из-за движения вверх и вниз, а также из-за движения кольца в кольцевой канавке (скручивание кольца) принимают по прошествии некоторого времени на рабочей поверхности выпуклую форму (рис. 5 и 6). Это положительно отражается на образовании маслянистой плёнки и сроке службы колец.

Рис. 5

Рис. 1 - Симметричная выпуклость

Рис. 2 -Асимметричная выпуклость

Уже при производстве колец с нанесённым покрытием им придают несколько выпуклую форму. Вследствие этого они не должны получать определённую форму при приработке, а уже с самого начала имеют желаемую форму и уже предварительно приработанную рабочую поверхность. Благодаря этому нет не только повышеного износа от приработки, но и вместе с ним связанного расхода масла. Из-за точечного контакта рабочей поверхности кольца появляется более высокое специфическое давление прижима на стенку цилиндра и, вместе с этим, более хорошая герметизация от газа и масла. Также уменьшается опасность кромочного контакта, исходящая от ещё острых кромок кольца. У кольца из хрома есть и без того всегда перелом кромки для того, чтобы предотвратить продавливание масляной плёнки при приработке. Очень твёрдый хромовый слой при не очень удачной конструкции мог бы привести к значительному износу и к повреждению более мягкой стенки цилиндра.

Симметричные, выпуклые рабочие поверхности кольца (рис. 1), независимо от того, являются ли они результатом приработки или уже производства, обладают очень хорошими антифрикционными свойствами и создают определенную толщину маслянистой плёнки. При симметричной выпуклости толщина маслянистой плёнки при движении поршня вниз и вверх везде одинаковая. Силы, действующие на кольцо и позволяющие ему всплывать на масляной плёнке, в обоих направлениях равны.

Если выпуклость - уже результат производства кольца, то для лучшего контроля расхода масла существует возможность создать асимметричную выпуклость. Высшая точка выпуклости находится тогда не в середине рабочей поверхности, а немного ниже (рис. 2).

При движении кольца вверх оно хорошо скользит по масляной плёнке в направлении верхней мёртвой точки, так как образование масляного клина, благодаря большей действующей площади над вершиной выпуклости кольца больше, чем под ней (рис. 3). Скорее всего, кольцо выдавливается масляной плёнкой, а не наоборот. Это означает, что толщина маслянистой плёнки при движении вверх сильно не уменьшается. При движении кольца вниз (рис. 4), из-за меньшей действующей площади под вершиной его выпуклости оно не может так сильно планировать на масляной плёнке. Большее количество масла снимается и транспортируется обратно в кривошипную камеру. Вследствие этого, асимметрично выпуклые кольца служат также и для контроля расхода масла, особенно при неблагоприятных условиях эксплуатаци и в дизельных двигателях. Это случается, например, после более длительных фаз холостого хода, следующих за периодами полной нагрузки, при которой часто происходит выброс масла в выпускную систему и появляется голубой дым при повторном газовании.

Рис. 3

Обработка поверхности

В зависимости от конструкции поверхности поршневых колец могут быть либо без покрытия, либо фосфатированными, либо покрытыми медью. Это влияет лишь на антикоррозионные свойства колец. Кольца без покрытия, хоть они прекрасно и блестят пока новые, они, однако, совсем незащищены от появления ржавчины. Фосфатированные кольца имеют матово-чёрную поверхность и защищены слоем фосфата от появления ржавчины.

Покрытые медью кольца также хорошо защищены от ржавчины и имеют лёгкую защиту от образования следов пригара, образующегося во время приработки. Медь обладает определённым эффектом сухой смазки и, вследствие этого, минимально выраженными антифрикционными свойствами при приработке.

На работу колец обработка поверхности, тем не менее, не влияет. Таким образом, качество поршневого кольца не зависит от его цвета.

Маслосъёмные поршневые кольца

Функция:

Маслосъёмные поршневые кольца были сконструированы только для того, чтобы распределять масло на стенке цилиндра и снимать его излишки. Для улучшения уплотняющей и маслосъёмной функции маслосъёмные кольца имеют обычно два рабочих пояска. Каждый из этих поясков снимает лишнее масло со стенки цилиндра. Таким образом, как на нижней кромке маслосъёмного поршневого кольца, так и между поясками появляется определённое количество масла, которое должно быть устранено из области кольца. При перекосе поршня в пределах внутреннего отверстия цилиндра, уплотнение функционирует тем лучше, чем ближе друг к другу находятся оба кольцевых рабочих пояска.

Прежде всего то масло, которое снимается с верхнего маслосъёмного пояска и появляется между кольцевыми рабочими поясками, должно быть устранено из этой области, так как иначе оно попадётза пределы маслосъёмного поршневого кольца и тогда должно будет устранено вторым компрессионным поршневым кольцом. С этой целью маслосъёмные поршневые кольца, неразъёмные или состоящие из двух частей, имеютлибо продолговатые прорези, либо отверстия между кольцевыми рабочими поясками. Через эти отверстия в самом кольце снятое с верхнего рабочего пояска масло выводится на его обратную сторону.

Теперь дальнейший отвод снятого масла может происходить различными способами. Одним из методов является доставка масла через отверстия в маслосъёмной канавке на внутреннюю сторону поршня, чтобы оно могло оттуда капать в масляный поддон (рис. 1). При так называемых прорезях в оболочке «Coversiots» (рис. 2 и рис. 3) снятое масло доставляется через выемку вокруг бобышки на внешнюю сторону поршня. Комбинация обеих конструкций также находит своё применение.

Для отвода снятого масла оказались пригодными обе конструкции. В зависимости от формы поршня, способа сгорания или цели применения используется как одно, так и другое исполнение кольца. Теоретически нельзя отдать предпочтение одной из этих конструкций. Решение, какой метод подходит лучше для определенного поршня, устанавливается, поэтому, в процессе различных проверок на практике.

Важное указание:

У двухтактных двигателей смазывание поршня осуществляется топливной смесью. Поэтому из-за конструкции можно отказаться от использования маслосъёмного поршневого кольца.

Типы конструкции: Неразъёмные маслосъёмные поршневые кольца

Неразъёмные маслосъёмные поршневые кольца больше не используются в современном моторостроении. Они получают свою упругость только из поперечного сечения поршневого кольца. Поэтому эти кольца относительножёстки и не могутхорошо прилегать к поверхности цилиндра по всему периметру и, вместе с тем, не обладают такими хорошими уплотняющими свойствами как маслосъёмные поршневые кольца, состоящие из отдельных частей. Неразъёмные маслосъёмные поршневые кольца производятся из серого чугуна.

Маслосъёмное коробчатое поршневое кольцо с прорезями

Самая простая конструкция с маслосъёмными рабочими поясками прямоугольного сечения и с прорезями для отвода масла.

Маслосъёмное коробчатое поршневое кольцо со сходящимися фасками

По сравнению с маслосъёмным коробча тым поршневым кольцом с прорезями, кромки рабочих поясков имеют фаски. Это сделано для того, чтобы достичь улучшенного давления на поверхность.

Маслосъёмное коробчатое поршневое кольцо с параллельными фасками

У этого кольца рабочие пояски имеют фаску только со стороны камеры сгорания. Вследствие этого, при движении поршня вниз снятие масла со стенок цилиндра более эффективно.

Маслосъёмные поршневые кольца, состоящие из двух частей (конструкции со спиральным витым пружинным расширителем)

Маслосъёмные поршневые кольца, состоящие из двух частей, состоят из самого кольца и за ним находящейся спиральной пружины. Само кольцо имеет по сравнению с неразъёмным маслосъёмным поршневым кольцом значительно меньшее поперечное сечение. Вследствие этого, эти кольца обладают относительной гибкостью и могут оченьхорошо прилегать к поверхности цилиндра по всему периметру. Канавка для витого пружинного расширителя во внутренней стороне самого кольца либо полукруглая, либо V-образная.

Само напряжение происходит от спиральной нажимной пружины из теплостойкой пружинной стали. Она лежит за кольцом и прижимает его к стенке цилиндра. При эксплуатации пружины плотно прилегают к обратной стороне самого кольца и вместе образуют одно целое. Хотя пружина в кольце не прокручивается, весь кольцевой блок, как и другие кольца тоже, свободно вращается в кольцевой канавке.Распределение радиального давления у маслосъёмных поршневых колец, состоящих из двух частей, всегда симметрично, так как давление прижима равномерно распределено по всему объёму спиральной пружины (смотри также главу 1.6.2 Распределение радиального давления).

Для увеличения срока службы наружные диаметры пружин шлифуются, наматываются более плотно на замке поршневого кольца или на них натягивается тефлоновый шланг. Благодаря принятию этих мер уменьшается износ от трения между кольцом и спиральной пружиной.

Кольца из двух частей сделаны либо из серого чугуна, либо из стали.

Важное указание: Зазор в замке ненапряжённого поршневого кольца , т.е., расстояние стыковых концов кольца в демонтированном состоянии без за ним находящейся пружины-расширителя, у составных маслосъёмных поршневых колец, состоящих из нескольких частей, незначителен. Особенно у стальных колец этот зазор может быть почти равен нулю. Это не является недостатком или причиной для рекламации.

Маслосъёмное коробчатое поршневое кольцо с прорезями и со спиральным витым пружинным расширителем

Самый простой тип конструкции с более лучшим уплотнением чем у неразъёмного маслосъёмного поршневого коробчатого кольца с прорезями.

Маслосъёмное коробчатое поршневое кольцо с параллельными фасками и с витым пружинным расширителем

Такая же форма поверхности как у маелосъёмного коробчатого поршневого кольца с параллельными фасками, однако, с более лучшим уплотнением.

Маслосъёмное коробчатое поршневое кольцо со сходящимися фасками и с витым пружинным расширителем

Такая же форма поверхности как у маслосъёмного коробчатого поршневого кольца со сходящимися фасками, с более лучшим уплотнением.

Речь идёт о самом распространённом маслосъёмном поршневом кольце. Оно может быть встроено в каждую модель двигателя.

Маслосъёмное коробчатое поршневое кольцо со сходящимися фасками, с витым пружинным расширителем и с хромированными рабочими поясками

Такие же свойства как и у маслосъёмного коробчатого поршневого кольца со сходящимися фасками и с витым пружинным расширителем, однако, с повышенной износостойкостью и, вместе с тем, с более долгим сроком службы. Поэтому это кольцо подходит особенно для дизельных двигателей.

Маслосъёмное коробчатое поршневое кольцо со сходящимися фасками и с витым пружинным расширителем из азотированной стали

Это кольцо наматывается из ленты профильной стали и покрывается со всех сторон защитным слоем. Оно очень

гибкое и ломается реже, чем вышеназванные кольца из серого чугуна. Отвод масла между планками происходит через вырубленные круглые отверстия. Этот вид маслосъёмного поршневого кольца находит применение главным образом в дизельных двигателях.

Состоящие из трёх частей маслосъёмные поршневые кольца

Маслосъёмные поршневые кольца из трёх частей состоят из двух тонких стальных пластинок, которые прижимаются к стенке цилиндра с помощью распорной пружины, и пружины-расширителя. Маслосъёмные поршневые кольца со стальными пластинками существуют либо с хромированными рабочими поверхностями, либо с азотированным покрытием.Последние служат для улучшения износостойкости не только на рабочей поверхности, но и между пружиной-расширителем и пластинками (вторичный износ). Состоящие из трёх частей маслосъёмные поршневые кольца обладают способностью оченьхорошо прилегать к поверхности цилиндра по всему периметру. В основном эти кольца используются в бензиновых двигателях легковых автомобилей.

Ситуация при монтаже

Различные модели пружины-расширителя

Рис. 2

Рис.3