Шатунно-поршневая группа

К деталям шатунно-поршневой группы (см. рис. 6.5); относят поршень, поршневые кольца (компрессионные и маслосъемные), поршневой палец, стопорные кольца, заглушки, шатун, втулку, шатунные вкладыши, крышку шатуна, шатунные болты. Поршень с группой своих деталей вместе со стенками цилиндра (гильзы) и поверхностью камеры сгорания образует рабочее пространство, в котором происходят рабочие процессы двигателя. Данная группа деталей должна обеспечить герметичность пространства, хороший отвод тепла от деталей к стенкам цилиндра, минимальные потери на трение и препятствовать проникновению масла из картера в камеру сгорания. При работе двигателя на поршень действуют знакопеременные силы давления газов и инерции, боковые силы, силы трения. Поршень контактирует с горячим рабочим телом, температура которого может достигать до 2500°С и нагревать тело поршня до 250...300°С, что приводит к возникновению термических напряжений. Дополнительные нагрузки воспринимают канавки и торцевые кромки поршня.

В поршне различают уплотняющую часть (головку) (рис. 6.5) с днищем и канавками для колец, направляющую часть (юбку) с бобышками для поршневого пальца. Днище поршня непосредственно воспринимает давление газов и температурное воздействие горячего рабочего тела. Форма днища поршня может быть различной. У карбюраторных двигателей преобладает плоская форма. Поршни с таким днищем проще в изготовлении и обеспечивают восприятие наименьшего количества тепла. Юбка поршня служит для направления движения поршня в цилиндре и передачи на его стенки боковых нормальных сил. Длина направляющей части зависит от величины бокового давления, которое наибольшей величины достигает в плоскости качания шатуна. Для максимального облегчения поршня и уменьшения трения срезают ненагруженные части юбки по диаметру и высоте. Юбке поршня также придают специальную форму с учетом неравномерности ее теплового расширения и деформации. Наибольшая масса металла в сечении юбки поршня сосредоточена в бобышках.

В некоторых конструкциях поршней используют вставки из материала с меньшим, чем основной металл поршня, коэффициентом линейного расширения. Такой способ позволяет избежать ослабления юбки прорезями и применяется в форсированных двигателях с принудительным воспламенением. Вставки изготавливают в виде пластин, которые при отливке поршня помещают в зону бобышек. Вместо пластин могут применяться кольца или полукольца, заливаемые в верхнем поясе юбки. В конструкциях таких поршней сохраняют поперечные прорези, ограничивающие тепловой поток в юбку.
Поршневые кольца обеспечивают уплотнение между полостью камеры сгорания и картером, отвод тепла от головки поршня к стенкам цилиндра, устраняют прорыв (утечку) газов и попадание масла в камеру сгорания из картера двигателя. Применяют два типа колец: компрессионные и маслосъемные. Схема работы компрессионных колец представлена на рис. 6.6. Уплотняющее действие обеспечивается упругостью колец и высоким сопротивлением перетекающему газу из камеры сгорания в картер в лабиринте «кольца-торцевые канавки поршня-цилиндр». Число колец зависит от величины давления газов в цилиндре и быстроходности двигателя. У двигателей ЯМЗ-236 и ЯМЗ-238 установлены три компрессионных кольца, а у двигателей ЯМЗ-740 — два. Замок или стык кольца по форме может быть прямым, косым и ступенчатым (см. рис. 6.6б). Исследования показали, что форма замка практически мало влияет на утечку газа при основных рабочих режимах, поэтому кольца с прямым замком получили наибольшее распространение.
Маслосъемные кольца (одно или два) регулируют подачу масла на боковую поверхность поршня и к компрессионным кольцам, снимают излишки масла со стенок цилиндра и направляют его в картер двигателя. Схема работы маслосъемных колец представлена на рис. 6.7. Двигатели ЯМ8-236 и ЯМЗ-238 имеют два, а ЯМЗ-740 одно маслосъемное кольцо.
Поршневой палец обеспечивает шарнирное соединение поршня с шатуном. Он воспринимает значительные знакопеременные нагрузки при высокой температуре и неблагоприятных условиях трения. Поршневой палец изготавливают в виде гладкого полого цилиндра. Конструкция его определяется типом соединения с бобышкой поршня и верхней головкой шатуна. Наибольшее применение получил так называемый «плавающий палец». При работе двигателя «плавающие пальцы» постоянно проворачиваются как в головке шатуна, так и в бобышках поршня. Они незначительно и равномерно изнашиваются по длине и по окружности, удобны при монтаже. От осевого смещения «плавающий палец» удерживают стопорные стальные пружинные кольца, устанавливаемые в канавки в бобышках поршня по обе стороны с торцов пальца.

Шатун во время работы двигателя воспринимает от поршня и передает коленчатому валу силу давления газов при рабочем ходе, а также обеспечивает перемещение поршня при вспомогательных процессах. Он совершает сложное плоскопараллельное движение. Верхняя головка шатуна имеет возвратно-поступательное движение вдоль оси цилиндра и качательное относительно оси поршневого пальца, а нижняя головка придает вращательное движение шатунной шейке коленчатого вала. Другие точки осевой линии шатуна совершают движение по сложной траектории. Сила давления газов сжимает шатун, а инерционные нагрузки, стремясь оторвать поршень от коленчатого вала, растягивают его. Кроме того, знакопеременное качательное движение вызывает силу инерции, изгибающую шатун в плоскости его качания.
Основные элементы шатуна показаны на рис. 6.5. Стержень обычно имеет двутавровое сечение. В стержне шатунов некоторых двигателей выполняют канал для подвода смазки от нижней головки шатуна к поршневому пальцу. Верхняя головка шатуна неразъемная, конструкция ее определяется способом крепления поршневого пальца и условиями его смазки. При применении плавающего пальца используют в качестве подшипников бронзовую или латунную втулку, которую запрессовывают в головку.
Нижнюю головку шатуна изготавливают разъемной. Разъем может быть косым или прямым. Косой срез позволяет уменьшить радиус окружности, описываемой нижней частью шатуна при вращении и проход его через цилиндр при сборке двигателя. Крепят крышку к телу шатуна болтами с гайками или болты ввертывают в тело шатуна.
Подшипники нижних головок шатунов имеют сменные тонкостенные вкладыши, изготовленные из стальной ленты, на поверхность которой наносят антифрикционный слой такого же материала, что и для коренных вкладышей.