1. Перечислите элементы поршня и объясните их назначение, объясните условия работы поршня.
В конструкции поршня принято выделять следующие элементы:

головку 1 и юбку 2. Головка включает днище З, огневой (жаровой) 4 и

уплотняющий 5 пояса. Юбка поршня состоит из бобышек б и направляющей части.

Сложная конфигурация поршня, быстро меняющиеся по величине и направлению тепловые потоки, воздействующие на его элементы, приводят к неравномерному распределению температур по его объему и, как следствие, к значительным переменным по времени локальным термическим напряжениям и деформациям

Теплота, подводимая к поршню через его головку, контактирующую с рабочем телом в цилиндре двигателя, отводится в систему охлаждения через отдельные его элементы в следующем соотношении, %: в охлаждаемую стенку цилиндра через компрессионные кольца - 60...70, через юбку поршня - 20...30, в систему смазки через внутреннюю поверхность днища поршня - 5...10. Поршень также воспринимает часть теплоты, выделяющейся в результате трения цилиндра и поршневой группы.

Основные элементы конструкции поршня

 

1. Канавка под первое компрессионное кольцо
2. Канавка под второе компрессионное кольцо
3. Межкольцевые перемычки
4. Канавка под маслосъемное кольцо
5. Выборка для слива масла
6. "Холодильник"
7. Юбка поршня
8. Бобышка под пальцевое отверстие
9. Разгружающая выборка
10. Канавка для стопорного кольца
11. Отверстие под палец
12. Юбка поршня
13. Головка поршня
14. Нирезистовая вставка
15. Маслоохлаждаемая полость
16. Камера сгорания
17. Конусный вытеснитель
18. Днище поршня

Поршень - одна из важнейших деталей двигателя внутреннего сгорания. Он передает энергию сгорания топлива через палец и шатун коленчатому валу. Он вместе с кольцами уплотняет цилиндр от попадания продуктов сгорания в картер. Во время работы на поршень действуют высокие механические и тепловые нагрузки.

 Максимальное давление в цилиндре, возникающее при сгорании топливно-воздушной смеси, может достигать 65-80 бар в бензиновом двигателе и 80-160 бар в дизеле. Это эквивалентно силе в несколько тонн, действующей на поршень двигателя легкового автомобиля и в десятки тонн - на поршень тяжелого дизеля.

Во время работы поршень совершает возвратно-поступательное движение, периодически ускоряясь до скорости более 100 км/час, а затем замедляясь до нуля. Такой цикл происходит с удвоенной частотой вращения коленвала, т.е. при 6000 об/мин цикл ускорение-замедление происходит с частотой 200 Гц.

Максимальная величина ускорений, приходящаяся на верхнюю и нижнюю мертвые точки, может достигать 15000-20000 м/с², что соответствует перегрузке 1500-2000g. Космонавт при выводе ракеты в космос кратковременно испытывает перегрузки в 150 раз меньше. От действия ускорений возникают инерционные силы по величине соизмеримые с теми, что действуют от давления при сгорании.

Сгорание топливовоздушной смеси происходит при температуре 1800-2600°С. Эта температура значительно превышает температуру плавления поршневого сплава на основе алюминия (~700°С). Чтобы не расплавиться, поршень должен эффективно охлаждаться, передавая тепло от камеры сгорания через кольца, юбку, стенки цилиндра, палец и внутреннюю поверхность охлаждающей жидкости и маслу. При нагревании поршня происходит снижение предела прочности материала, возникают термонапряжения от перепадов температуры по его телу, которые накладываются на напряжения от сил давления газов и инерционных сил. Таким образом, условия работы поршня можно определить как очень сложные.

Чтобы поршень противостоял этим воздействиям, он должен быть легким, прочным, износостойким, хорошо проводить тепло. Все перечисленные условия должны быть учтены при проектировании. Форма внутренних поверхностей и конструктивных элементов поршня должна обеспечивать заданную прочность и работоспособность за счет рационального распределения и использования материала.

Особое внимание уделено форме наружной поверхности. Внешний профиль боковой поверхности поршня формируется с учетом деформаций от механических нагружений (давления газов и инерционных сил) и теплового воздействия от сгорания топливовоздушной смеси таким образом, чтобы ни при каких условиях не произошло заклинивание в цилиндре, прорыв горячих газов в картер, прогорание камеры сгорания.

Температура поршня в зоне камеры сгорания (на днище) выше, чем на юбке, температурное расширение головки больше чем юбки, поэтому поршень в холодном состоянии – бочкообразный, с уменьшением диаметра от юбки к головке.

Сила давления газов, силы инерции и боковая сила деформируют поршень так, что юбка овализируется. Для компенсации этой деформации поршень изначально выполняется с «противоэллипсом», большая ось которого расположена в перпендикулярно оси пальцевого отверстия.

Зазоры между поршнем и цилиндром должны быть сведены к минимуму для предотвращения шума, особенно в холодном двигателе. Но они должны быть достаточными для предотвращения заклинивания при работе прогретого двигателя.

Бочкообразная и овальная форма внешней поверхности кроме компенсации соответствующих деформаций от силового и теплового воздействия обеспечивает образование масляной пленки между поршнем и цилиндром (гидродинамическая смазка)

Конструктивные особенности поршня 

Подробности, связанные с конструктивными элементами поршней, позволят глубже понять сложность задач, стоящих перед производителями.

Головка поршня - это его верхняя часть, которая включает днище и зону канавок под поршневые кольца. Вместе с головкой цилиндра днище поршня образует камеру сгорания. Камера сгорания может быть выполнена и в головке. На днище действуют давление газов и тепло от сгорания топлива. Головка поршня должна:

-обеспечивать хорошее смесеобразование и полноту сгорания топлива;

-сохранять прочность при высокой температуре;

-обеспечивать отвод тепла от днища;

-передавать усилие на поршневой палец и шатун через бобышки;

-обеспечивать заданный ресурс по износу канавок под поршневые кольца.

В дизельных двигателях с непосредственным впрыском камера сгорания, как правило, выполняется в поршне и оказывает большое влияние на процессы смесеобразования и горения.

В дизельных двигателях с предкамерным впрыскиванием и бензиновых двигателях днище поршня плоское или имеет небольшие выборки.

Головка алюминиевых поршней может быть анодирована (нанесено защитное окисное покрытие). В дизельных двигателях камера сгорания может быть упрочнена путем армирования металлокерамическим волокном в процессе литья под давлением.

Канавки под поршневые кольца располагаются на боковой поверхности головки поршня. Обычно их три: две под компрессионные и одна под маслосъемное кольца. Поршневые кольца образуют уплотнение между поршнем и стенкой цилиндра, не допуская прорыва горячих газов в картер и масла в камеру сгорания.

Перемычки между канавками (особенно между первой и второй для компрессионных колец) подвергаются высоким механическим и тепловым нагрузкам - 50-60% тепла отводится в цилиндр через компрессионные кольца.

Неравномерный нагрев и тепловое расширение головки может привести к нарушению формы канавок. Это отрицательно влияет на расход масла и вызывает износ стенки цилиндра и самой канавки. Для устранения этого явления кольцевые канавки выполняются под небольшим углом так, чтобы наружные кромки были выше внутренних. Это препятствует появлению нежелательного наклона поперечного сечения канавки вниз на рабочих режимах.

К канавкам верхних компрессионных колец предъявляются особо жесткие требования, в особенности в дизельных двигателях с высокой степенью сжатия. Для упрочнения эти канавки часто армируются специальными вставками, изготовленными из нирезиста (легированный никелем чугун), или зона канавки упрочняется путем плазменного переплава с присадкой легирующих компонентов. Эти мероприятия повышают износостойкость и снижают шум в дизельном двигателе.

Имеются наиболее распространенные типы вставок с параллельными сторонами и вставки с конусообразными сторонами. Существуют нирезистовые вставки с одной канавкой или, в некоторых высокофорсированных дизельных двигателях, с двумя канавками под компрессионные кольца. Иногда к нижней торцевой поверхности канавки первого компрессионного кольца прикрепляется полоска из нержавеющей стали, выполняющая ту же функцию, что и нирезистовая вставка.

Через поршневой палец в процессе работы передаются значительные переменные усилия и тепловые потоки. Поэтому поверхности пальцевых отверстий в поршне должны быть обработаны с высокой точностью, при этом шероховатость поверхности может достигать 0,1 мкм. Для снижения напряжений на кромках бобышек и в пальце с внутренней стороны отверстий иногда выполняется конус с небольшим углом (менее 1 градуса).

Важным конструктивным приемом для снижения шума, возникающего при перекладке поршня вблизи верхней мертвой точки, является смещение пальцевого отверстия от оси поршня в направлении той стороны юбки поршня, которая воспринимает боковую силу при рабочем ходе. В этом случае на поршень обязательно наносится метка для правильной установки в двигатель.

 Покрытия

Для улучшения работы поршней в двигателе их поверхность часто подвергается различным видам обработки, в частности, на нее наносятся покрытия. Эти покрытия выполняют две главные функции:

-        улучшение приработки поршня. Обычно их наносят на юбку, и они изнашиваются через определенное время на этапе обкатки двигателя;

-        улучшение механических свойств поверхности поршня (твердость, износостойкость). Некоторые покрытия остаются на поршне на все время эксплуатации, предотвращая эрозию, растрескивание и улучшая антифрикционные свойства.

Головка поршня дизельных двигателей иногда подвергается анодированию (покрывается окисью алюминия) для уменьшения температуры основного материала и опасности растрескивания головки, вызываемого высокими термическими нагрузками при работе.
2.Устройство и принцип работы ТНВД распределительного типа.

Такой насос применяется для 3, 4, 5 и 6 цилиндровых дизельных двигателей легковых автомобилей, тракторов и грузовых автомобилей мощностью до 20 кВт на цилиндр. Насосы распределительного типа для двигателей с непосредственным впрыском обеспечивают давление до 700 бар при частоте вращения до 2400 мин-1.

Топливоподкачивающий насос
Этот насос лопастного типа служит для подачи топлива из бака и вместе с нагнетательным регулирующим клапаном создает давление, которое возрастает прямо пропорционально частоте вращения коленчатого вала двигателя.

Насос высокого давления
Насос распределительного типа включает только один плунжерновтулочный комплект для питания всех цилиндров.
Плунжер с регулирующей втулкой:

 1 - регулирующая спиральная канавка;

2 - регулирующая втулка;

3 - выпускное отверстие;

 4 - регулирующая канавка;

 5 - плунжер насоса

Плунжер не только создает требуемое давление топлива во время его рабочего хода, но и одновременно, вращаясь, распределяет его по отдельным выходным отверстиям. Во время одного оборота ведущего вала плунжер совершает количество тактов, равное числу цилиндров двигателя. Ведущий вал вращает кулачковую шайбу и плунжер, с которым она соединена. Выступы на кулачковой шайбе обеспечивают осевое перемещение плунжера и его вращение (распределение и подачу топлива). Насос продолжает подачу топлива во время рабочего хода до тех пор, пока выпускное отверстие плунжера остается закрытым, и прекращает подачу топлива, как только выпускное отверстие совмещается с отверстием в регулирующей втулке. Регулятор определяет положение регулирующей втулки, которая перемещается на плунжере.

Рядный насос с регулирующей втулкой:

 1 - плунжер насоса;

2 - контрольная втулка;

3 - управляющий шток регулирующей втулки;

 4 - регулирующая рейка
Механический регулятор
Шаровая цапфа обеспечивает соединение между регулирующей втулкой и рычагами регулятора, которые, в свою очередь, перемещаются под действием центробежной силы, вызываемой вращающимися грузами с учетом противодействия пружины регулятора. Скоростной режим устанавливается регулированием натяжения пружины рычагом. Регулировочный винт полной нагрузки используется для установки системы рычаг-регулятор для получения максимальной мощности. Могут быть установлены дополнительные пружины для адаптирования к холостому ходу и переходным характеристикам.

Сигнал нагрузки
ТНВД распределительного типа, осна- щенные двухрежимными регуляторами, управляются посредством микровы- ключателя или потенциометра.

Механические вспомогательные устройства
Некоторые из таких устройств управления используются в целях обработки дополнительных рабочих параметров для регулирования количества впрыскиваемого топлива(компенсатор давления во впускном патрубке, гидравлические и механические средства адаптации к полной нагрузке) и для управления закрытием отверстия (начало подачи топлива).
Система впрыскивания топлива с насосом распределительного типа:

1.топливный
2 - линия подачи топлива;

 3 - топливный фильтр;

4 - насос распределительного типа;

5 - трубка высокого давления;

 6 - форсунка;

 7 - трубка возврата топлива

Гидромеханически регулирующее устройство угла опережения впрыскивания
Устанавливаемое по потоку топлива после подкачивающего насоса, устройство включает нагнетательный регулирующий клапан,который обеспечивает рост давления топлива в линейной зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя (1,5...8 бар). Это давление воздействует через отверстие, регулируемое дросселем, на передний конец подпружиненного плунжера. Тот, в свою очередь, поворачивает роликовое кольцо насоса в противоположном вращению насоса направлении, таким образом, увеличивая опережение начала впрыскивания топлива независимо от частоты вращения коленчатого вала.
Одноплунжерный ТНВД распределительного типа (основная версия):

1 - насос подачи топлива (лопаточного типа);

 2 - привод регулятора:

3 - устройство регулирования угла опережения впрыскивания;

 4 - кулачковый диск;

 5 - регулирующая втулка:

 6 - распределительный плунжер;

 7 - нагнетательный клапан;

8 - устройство отключения соленоидного управления:

9 - рычажный механизм регулятора;

 10 - перепускной дроссель;

 11 - механическое устройство отключения;

12 - пружина регулятора;

13 - рычаг контроля частоты вращения;

14 - регулирующая втулка;

 15 - центробежные грузы;

16 - нагнетательный клапан ограничения давления

Отключение работы насоса
Механическое (рычаг остановки) или электрическое (соленоидный клапан) устройство отключения прерывает ра- боту дизеля, прекращая подачу топли- ва. Электрический способ широко рас- пространен в легковых автомобилях.

Электронный регулятор (EDC)
Эксцентрично-установленная шаровая цапфа связывает регулирующую втулку насоса VE и соленоидный исполнительный механизм. Угловая установка исполнительного механизма определяет положение регулирующей втулки и с ее помощью активный рабочий ход насоса. К исполнительному механизму подсоединяется измерительный датчик положения (потенциометр или индуктивный измерительный преобразователь). ECU получает различные сигналы от измерительных преобразователей - положения педали управления подачей топлива, частоты вращения коленчатого вала двигателя, температуры воздуха, охлаждающей жидкости и топлива, давления наддува, атмосферного давления и т. п. Он использует эти входные величины, хранящиеся в его памяти, для определения правильного количества впрыскиваемого топлива. Таким образом, ECU изменяет ток возбуждения исполнительного привода до тех пор, пока не совпадут исходные данные и действительные величины для принятого положения рейки.
Электронное управление работой дизеля (EDC) для ТНВД распределительного типа:
1 - топливо подкачивающий насос;

 2 - электромагнитный клапан;

3 - устройство синхронизации;

 4 - втулка управления;

5 - вращающийся исполнительный механизм с измерительным датчиком;

 6-ECU.Входные/выходные величины: а - скоростной режим;
b - начало впрыскивания; с - температура; d - давление наддува; е - положение педали газа; f - возврат топлива; g - к распылителю
Электронно-управляемое устройство синхронизации
Продолжительность впрыскивания (начало впрыскивания топлива) можно также регулировать путем сравнения действительных и заранее задаваемых исходных величин. При этом сигнал от исполнительного преобразователя, с помощью которого контролируется точка, при которой открывается форсунка, сравнивается с запрограммированной исходной величиной. Электромагнитный клапан изменяет давление, прилагаемое к плунжеру, и с его помощью установку регулирования устройства синхронизации. Сигнал от измерительного преобразователя форсунки, указывающий на начало впрыскивания, сравнивается с данными, хранящимися в памяти. Тактовая частота, используемая для срабатывания электромагнита, модифицируется, пока не совпадут действительная и исходная величины. Преимущества электронного управления с обратной связью: уточненное регулирование цикловой подачи топлива; уточненное регулирование частоты вращения коленчатого вала двигателя; более точный угол опережения впрыскивания топлива. Устройство также может управлять рециркуляцией отработавших газов, контролировать давление наддува, управлять свечами накаливания и обеспечивать связь с другими бортовыми электрическими системами.
3.Понятие, виды и сроки технического обслуживания тракторов и автомобилей.

1. Основные положения теории изнашивания: классификация изнашивания по ГОСТ 16429-70, износ и изнашивание, график изнашивания сопряжённых деталей с пояснениями
Основной, постоянно действующей причиной изменения технического состояния механизмов машины является изнашивание деталей. Изнашивание-это процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела и накопления его остаточной деформации при трении, проявляющейся в постепенном изменении размеров и формы тела. Результат изнашивания, называемый износом, может, выражается в единицах длины, объёма, массы и др.

Основными характеристиками изнашивания является скорость - отношение значения износа к интервалу времени, в течение которого он возник, и интенсивность - отношение значения износа к обусловленному пути, на котором происходило изнашивание, или объёму выполненной работы. При этом единица объёма выполненной работы определяется в каждом конкретном случае.

При трении и изнашивании происходит следующие явления и процессы:

скачкообразное движение при трении - явление чередования относительного скольжения и относительного покоя или увеличения и уменьшения относительной скорости скольжения, возникающее самопроизвольно при трении движения;

схватывание при трении - явление местного соединения двух твердых тел в результате действия молекулярных сил;

перенос материал - явление, при котором материал одного тела соединяется с материалом другого и, отрываясь от первого, остаются на поверхности второго;

заедание - процесс возникновение и развитие повреждений детали вследствие схватывания и переноса материала, который может завершиться прекращением её движения;

задир - повреждение поверхности детали в виде широких и глубоких борозд, образующихся в направлении скольжения;

выкашивание - отделение частиц материала детали при усталостном изнашивании, приводящие к образованию ямок на её поверхности.

Выделяют механическое, коррозионно-механическое изнашивание и изнашивание при действии электрического тока.

Наиболее разрушительное действие на детали машин оказывает абразивное изнашивание - это механическое изнашивание материала в результате режущего или царапающего действия на него твердых частиц, находящихся в свободном состоянии либо взвешенных в жидкости (гидроабразивное изнашивании) или газе (газоабразивное изнашивание). Этот вид изнашивания характерен для рабочих органов экскаваторов, бульдозеров, деталей гусениц тракторов, открытых зубчатых передач.

Для запорной и регулирующей аппаратуры трубопроводов, деталей гидротурбин, систем водяного охлаждения характерно эрозийное изнашивание, т.е. механическое изнашивание материала в результате воздействия на него потока жидкости (гидроэрозийнное изнашивание) или газа (газаэрозийнное изнашивание). Эрозийное изнашивание поверхности возможно также в результате воздействии разрядов электрического тока (электроэрозионное изнашивание). При высоких скоростях движения детали относительно жидкости может возникнуть кавитационное изнашивание, при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, что создаёт местное повышение давления или температуры.

При невысокой прочности материала и высоких контактных напряжениях может наблюдаться усталостное изнашивание детали, происходящее в результате усталостного разрушения её поверхностного слоя, что характерно для зубчатых передач и подшипников качения.

Для некоторых деталей машин (например, шестерен зубчатых передач и подшипников скольжения) при неудовлетворительном смазывании и больших удельных давлениях характерно изнашивание при заедании, происходящие в результате схватывания, глубинного вырывания материала и воздействия возникающих при этом неровностей на сопряженные поверхности.

При малых колебаниях относительных перемещениях соприкасающихся тел (например, элементов карданных шарниров) происходит так называемое изнашивание при фреттинге.

Коррозионно-механическое изнашивание деталей в результате химического взаимодействия их материала с кислородом или окисляющей окружающей средой при длительном трении сопряженных поверхностей называют окислительным изнашиванием, а при малых колебательных относительных перемещениях — изнашиванием при фреттинг-коррозии. Характерно оно для болтовых и заклепочных соединений, а также посадочных поверхностей подшипников качения.

Износ механизмов растет вместе с увеличением времени их работы. До известного предела нарастание износа не влечет за собой качественных изменений в работе механизма и может считаться естественным (нормальным), далее наступает аварийный износ его деталей.

На рисунке изображена кривая нарастания во времени износа пары работающих деталей, которая справедлива для большинства сопряжений, работающих в установившемся режиме. Кривая имеет три явно выраженных участка: I – начальный, характеризующий процесс приработки нового сопряжения; II – участок, наибольший по протяжённости и соответствующий периоду нормальной работы сопряжения, т.е. естественным износом; III - конечный, соответствующий периоду разрушения сопряжения вследствие износа его сверх допустимого предела.


Зависимость зазора U от наработки деталей т (Un,
U„ - соответственно предельное и начальное значения зазора)