Материал поршня: конструкция, отличия и применяемость на двигатели Ваз.. Статьи компании «АвтоКлюч-63»

Содержание

конструкция, отличия и применяемость на двигатели Ваз.. Статьи компании «АвтоКлюч-63»

 

   Поршневая группа двигателя включает в себя: поршень, поршневые кольца и поршневой палец.

Общая конструкция поршневой группы сложилась еще в период появления первых двигателей внутреннего сгорания. С тех пор ни один из элементов поршневой группы не утратил своего функционального назначения.

Поршень, является наиболее важным элементом любого двигателя внутреннего сгорания.

Именно на эту деталь, выпадает основная нагрузка по преобразованию энергии расширяющихся газов в энергию вращения коленчатого вала. Свойства, которыми должен обладать поршень, трудно совместимы и технически тяжело реализуются.

Требования, которым должна соответствовать эта деталь:
  • температура в камере сгорания может достигать более 2000°С а температура поршня, без риска потери прочности материала, не должна превышать 350°С
  • после сгорания бензино-воздушной смеси, давление в камере сгорания может достигать 80 атмосфер.

 При таком давлении, оказываемое на днище усилие, будет составлять свыше 4-х тонн. Толщина стенок и днища поршня должна обеспечивать возможность выдерживать значительные нагрузки. Но любое увеличение массы изделия приводит к увеличению динамических нагрузок на элементы двигателя, что в свою очередь, ведет к усилению конструкции и росту массы двигателя;

  • зазор между поршнем и поверхностью цилиндра должен обеспечивать эффективную смазку и возможность перемещения с минимальными потерями на трение. Но в тоже время зазор должен учитывать тепловое расширение и исключить возможность заклинивания.
  • изготовление должно быть достаточно дешевым и отвечать условиям массового производства.

Очертания поршня за более сто пятидесятилетнюю историю двигателя внутреннего сгорания мало изменились.

   

В конструкции поршня можно выделить несколько зон, каждая из которых, имеет свое функциональное назначение:

1)   Днище поршня – поверхность, обращенная к камере сгорания. Днище, своим профилем, определяет нижнюю поверхность камеры сгорания.

Форма днища зависит от формы камеры сгорания, расположения клапанов, от особенности подачи топливо-воздушной смеси в камеру сгорания и объема самой камеры.

Днища разных моделей применяемых на двигателях ВАЗ приведены на рисунке:

Поршни ВАЗ 21213 и ВАЗ 21230 отличаются нанесенной маркировкой. Маркировка наносится на поверхность рядом с отверстием под поршневой палец. На поршне ВАЗ 21213 нанесены цифры -«213», на модели ВАЗ 2123 — «23».

На модели ВАЗ 21080, ВАЗ 21083, ВАЗ 21100 нанесена соответствующая маркировка — «08»,»083″, «10». Поршень 2108 имеет диаметр 76 мм , модели 21083 и 2110 — 82 мм.

Поршни ВАЗ 2112 и ВАЗ 21124, имеют соответствующую маркировку — «12»и «24» и отличаются глубиной выборки под клапана. Модели 21126 и 11194 отличаются диаметром.

2)   Если углубления на днище увеличивают объем камеры сгорания, то для уменьшения объема применяют вытеснители. Вытеснителем называют объем металла, который находится выше плоскости днища.

3)  «Жаровым поясом» (огневым) называют расстояние от днища до канавки первого поршневого кольца. Чем ближе располагаются поршневые кольца к днищу, тем более высокой тепловой нагрузке они подвергаются, тем больше сокращается их ресурс.

4)  Уплотняющий участок — это участок канавок, расположенных на боковой цилиндрической поверхности поршня. Канавки предназначены для установки поршневых колец. Поршневые кольца обеспечивают подвижное уплотнение. На всех моделях для двигателей ВАЗ, выполнены две канавки под компрессионные кольца и одна канавка под маслосъемное кольцо.

В канавке под маслосъемное кольцо есть отверстия, через которые отводится излишек масла во внутреннюю полость поршня. Уплотняющий участок выполняет еще одну очень важную функцию — через установленные поршневые кольца, осуществляется отвод значительной части тепла от поршня к цилиндру.

Если конструкция изделия не будет предусматривать эффективный отвод тепла от днища, то это приведет к его прогоранию.

По расчетам, через компрессионные кольца, передается до 60-70% выделенного тепла. Однако это требует плотного прилегания поршневых колец к цилиндру и к поверхностям канавок.

Для обеспечения работоспособности, торцевой зазор первого компрессионного кольца в канавке должен составлять 0,045-0,070 мм. Для второго компрессионного кольца зазор — 0,035-0,060 мм, для маслосъемного – 0,025-,0050 мм. Между внутренней поверхностью кольца и канавки должен быть радиальный зазор — 0,2-0,3 мм.

5)  Головку поршня образуют днище и уплотняющая часть.

Расстояние от оси поршневого пальца до днища, называют компрессионной высотой поршня.

6)  «Юбкой», называют нижнюю часть поршня. На этом участке находятся бобышки с отверстиями – место, куда устанавливается поршневой палец. Внешняя поверхность юбки, исполняет роль опорной и направляющей поверхности.

Юбка обеспечивает соосность положения детали к оси цилиндра блока. Кроме того, боковая поверхность юбки участвует в передаче к цилиндру возникающих поперечных усилий.

На поверхность юбки (или на все изделие) могут наноситься защитные покрытия улучающие прирабатываемость и снижающих трение.

Покрытие слоем олова позволяет сгладить неточности профиля и предотвратить наволакивание алюминия на поверхности цилиндра. Могут применяться покрытия созданные на основе графита и дисульфида молибдена.

Другой способ, снижающий потери на трение – нанесение на юбке канавок специального профиля. Глубина канавок составляет 0,01-0,015 мм. При движении, канавки не только удерживают масло, но и создают гидродинамическую силу, которая препятствует контакту со стенками цилиндра.

    Одним из факторов определяющих геометрию поршня, является необходимость снижения сил трения.

   Для этого требуется обеспечение определенной толщины масляного слоя в зазоре между поршнем и стенками цилиндра. Причем маленький зазор повлечет за собой увеличение сил трения и как следствие повышение нагрева деталей и их ускоренный износ а возможно и заклинивание.

Слишком большой зазор, увеличит шумность двигателя, приведет к росту динамических нагрузок на сопрягаемые детали и будет способствовать их ускоренному износу. Поэтому величина зазора подбирается в соответствии с рекомендациями для конкретного типа двигателя.

   В истории применения конструкций поршней для двигателей ВАЗ, просматриваются этапы влияния нескольких европейских конструкторских школ.

На первых моделях двигателей ВАЗ применяется «итальянская» конструкция. Поршни отличаются большой компрессионной высотой, широкой опорной поверхностью юбки. Поверхность изделия покрыта слоем олова.

  В разработке последующих конструкций принимают участие немецкие компании. У поршней уменьшается компрессионная высота. На юбке применяется микропрофиль – специальный профиль канавок, для удержания смазки в зоне трения. Поршни моделей ВАЗ 21126 и ВАЗ 11194 получают Т-образный профиль и рассчитаны на установку «тонких» поршневых колец. Так внешне сравнивая модели от 2101 до 21126, можно получить представление об общих тенденциях совершенствования конструкции , основанных на новых научных разработках.

  В процессе работы, различные участки поршня нагреваются не равномерно, следовательно, и тепловое расширение будет больше там, где выше температура и больше объем металла. В связи с этим, на уровне днища размер выполняют меньшим, чем диаметр в средней части. Таким образом, в продольном сечении профиль будет коническим. Нижняя часть юбки тоже может иметь меньший диаметр. Это позволяет, при движении вниз, в пространстве между юбкой и цилиндром, создавать масляный клин, который улучшает центрирование в цилиндре.

   Для компенсации тепловых деформаций, в поперечном сечении поршень выполнен виде овала. Это связано с тем, что в районе бобышек под поршневой палец сосредоточен значительный объем металла.

При нагреве, в плоскости поршневого пальца, расширение будет осуществляться в большей степени. Овальность и бочкообразность детали в холодном состоянии, позволяет иметь поршень, приближающийся к цилиндрической форме, при работающем двигателе.

Такая форма изделия создает сложности при контроле его диаметра. Фактический диаметр можно определить, только замеряя его в плоскости перпендикулярной оси отверстия под поршневой палец на определенном расстоянии от днища. При этом, для разных моделей это расстояние будет отличаться.

   Тепловые нагрузки порождают еще одну проблему. Поршни изготавливают из алюминиевого кремнесодержащего сплава, а для блока цилиндров используют чугун. У этих материалов разная теплопроводность и разный коэффициент теплового расширения.

   Это приводит к тому, что в начале работы двигателя, поршень нагревается и увеличивается в диаметре быстрее, чем увеличивается внутренний диаметр цилиндра. При и без того малых зазорах, это может приводить к повышенному износу цилиндров, а в худшем случае, к заклиниванию поршня.

  Для решения этой проблемы, во время отливки поршня, в тело заготовки внедряют специальные стальные или чугунные элементы, которые сдерживают резкое изменение диаметра. Для уменьшения теплового расширения и отвода тепла, на некоторых типах двигателя, используются системы подачи масла во внутреннюю полость поршня.

  Поршневой палец обеспечивает шарнирное соединение поршня и верхней головки шатуна. Во время работы двигателя, на поршневой палец воздействуют значительные переменные силы. Палец и отверстия под палец должны сопрягаться с минимальным зазором, обеспечивающим смазку.

  На двигателях ВАЗ используется два типа шарнирного соединения «поршень-палец-шатун». На поршнях моделей 2101, 21011, 2105, 2108, 21083 – палец устанавливается в верхней головке шатуна по плотной посадке, исключающей его вращение. Отверстие в поршне под поршневой палец выполнено с зазором, обеспечивая свободное вращение.

  В дальнейшем от этой схемы отказались и перешли на схему с «плавающим» пальцем. На поршнях моделей 21213, 2110, 2112, 21124, 21126, 11194, 21128 – палец устанавливается с минимальным зазором и в головке шатуна, и в отверстиях поршня. Для исключения осевого смещения пальца, в поршне, в отверстиях под поршневой палец устанавливаются стопорные кольца. Во время работы, у пальца есть возможность проворачиваться, обеспечивая равномерный износ поверхностей.

  Для обеспечения надежной смазки пальцев, в бобышках предусмотрены специальные отверстия.

По результатам фактического замера отверстия под поршневой палец, поршням присваивается одна из трех категорий(1-я, 2-я, 3-я). Разница в размерах для категорий составляет — 0,004мм. Номер категории клеймится на днище.

Для обеспечения необходимого зазора, поршневые пальцы, по наружному диаметру подразделяются на три класса. Отличие в размерах составляет — 0,004 мм. Маркировка класса производится краской по торцу пальца: синий цвет — первый класс, зеленый — второй, красный — третий класс. При сборке, поршню первой категории должен подбираться палец первого класса и т.д.

  Особенностью работы шатунного механизма, является то, что до достижения верхней мертвой точки, поршень прижат к одной стороне цилиндра, а после прохождения ВМТ – к другой стороне цилиндра. При приближении к верхней мертвой точке, на поршень действует максимальная нагрузка, следовательно растет сила давления на палец. Возрастающие силы трения препятствуют повороту поршня на пальце. При таких условиях поворот может происходит скачкообразно, со стуком о стенку цилиндра.

 

  Для того, чтобы снизить динамические нагрузки и шум, применяют поршни со смещенным отверстием под поршневой палец. Ось отверстия смещена в горизонтальной плоскости от оси поршня. В работающем двигателе это приводит к возникновению момента силы, который облегчает преодоление сил трения.

Такое конструктивное решение позволяет добиться плавности, при смене точек контакта поршня с цилиндром. На такие изделия обязательно наносится метка для правильной ориентации при его установке. Однако, чем больше будет износ цилиндров и юбки, тем в большей степени будет проявляться стук в цилиндре.

  Существуют поршни, в которых применяется не только горизонтальное смещение оси пальца, но и вертикальное. Такое смещение ведет к уменьшению компрессионной высоты. Поршни, с дополнительным смещением оси отверстия под палец вверх, применяются для тюнинговой доработки двигателя. В качестве основной характеристики для таких поршней используется величина смещения, указывающая на сколько смещен центр отверстия под палец, по сравнению со стандартным изделием.

  На рынке продаж, поршень представлен значительным количеством отечественных и иностранных производителей. Независимо от производителя, они должны соответствовать требованиям, рассчитанным для конкретной модели двигателя. Поршни, входящие в комплект, не должны отличаться по массе более чем на ±2,5 грамм. Это позволит снизить вибрации работающего двигателя. Для розничной сети, в комплекты подбираются поршни одной весовой группы. В случае необходимости можно осуществить подгонку поршня по массе.

  Зазор между цилиндром и поверхностью поршня должен соответствовать величине установленной для данной модели двигателя. Поршни номинального размера по своему диаметру относят к одному из пяти классов. Различие между классами составляет 0,01 мм.

  Классы маркируются на днище буквами — (А, В, С, D, Е). В качестве запасных частей поставляются поршни классов — А, С, Е. Этих размеров достаточно, чтобы осуществить подбор деталей для любого блока цилиндров и обеспечить необходимый зазор.

  Поршни ВАЗ 11194 и ВАЗ 21126 имеют только три класса (A, B, C) с размерным шагом — 0,01 мм.

  Кроме номинальных размеров, изготавливаются поршни 2-х ремонтных размеров, с увеличенным наружным диаметром на 0,4 и 0,8 мм. Для распознавания, на днищах ремонтных изделий ставится маркировка: символ «треугольник» соответствует первому ремонтному размеру(с увеличением наружного диаметра на 0,4 мм), символ «квадрат» — увеличение диаметра на 0,8 мм. До 1986 г. ремонтные размеры отличались от современных. Так для двигателя 2101 существовало три ремонтных размера: на 0,2 мм., 0,4 мм., 0,6 мм; для двигателя 21011 два размера: 0,4 мм. и 0,7 мм.

 

Применяемость моделей поршней на различных двигателях Ваз:

  В качестве материала для изготовления поршней применяются сплавы алюминия. Использование кремния в составе сплава, позволило снизить коэффициент теплового расширения и увеличить износостойкость. Сплавы, где содержание кремния может достигать 13%, называют – эвтектическими. Сплавы с более высоким содержанием кремния относят к заэвтектическим сплавам. Повышение процента содержания кремния улучшает теплопроводные характеристики, однако приводит к тому, что при охлаждении в сплаве происходит выделение кремния в виде зерен размером 0.5-1.0 мм. Это приводит к ухудшению литейных и механических свойств. Для улучшения физико-механических свойств, в сплавы вводят легирующие добавки меди, марганца, никеля, хрома.

 

Существует два основных способа получения заготовки поршня.

Отливка в кокиль – специальную форму, является более распространенным способом. Другой способ — горячая штамповка (ковка). После этапов механической обработки, изделие подвергают термической обработке для повышения твердости, прочности и износостойкости, а также для снятия остаточных напряжений в металле.

  Структура кованого металла позволяет повысить прочностные характеристики изделия. Но есть существенные недостатки кованых изделий классической конструкции( с высокой юбкой)– они получаются более тяжелыми. Кроме того, в кованных деталях, невозможно использовать термокомпенсирующие кольца или пластины. Увеличенный объем металла ведет к увеличенной тепловой деформации и необходимости увеличивать зазор между поршнем и цилиндром. И как следствие – повышенный шум, износ цилиндров, расход масла. Применение кованых поршней оправдано в тех случаях, когда большую часть времени двигатель автомобиля эксплуатируется на предельных режимах.

  В современном конструировании поршней, наблюдаются следующие тенденции: уменьшение веса, использования «тонких» поршневых колец, уменьшение компрессионной высоты, использование коротких поршневых пальцев, применение защитных покрытий. Все это, нашло свое применение, в конструкции Т-образных поршней. Наименование конструкции обусловлено схожестью профиля детали с буквой «Т». На этих изделиях, юбка уменьшена и по высоте и по площади направляющей части. В качестве материала для изготовления таких поршней используется заэвтектический сплав, с большим содержанием кремния. Поршни Т-образной конструкции практически всегда изготавливаются горячей штамповкой.

  Принятие разработчиками решения о применении той или иной конструкции поршня всегда предшествует расчет и глубокий анализ поведения всех узлов шатунно-поршневой группы. Детали современных двигателей рассчитаны на пределе возможностей конструкции и материалов. В таких расчетах предпочтение отдается конструкциям с минимальной стоимостью обеспечивающих утвержденный ресурс и не более. Поэтому любое отклонение от штатных режимов работы двигателя ведет к сокращению ресурса тех или иных деталей и узлов.

конструкция, функции, причины износа и способы его предотвращения

В процессе работы поршни испытывают экстремально высокие давления, нагрузки и температуры. Выдержать такие условия им помогают особо прочные конструкционные материалы и специальные антифрикционные покрытия.

Поршень двигателя – один из основных составных элементов цилиндро-поршневой группы. Он воспринимает давление газов, образующихся при сгорании топливно-воздушной смеси, а затем передает его на шатун.

Экстремальные условия эксплуатации поршней – высокие давления, инерционные нагрузки и температуры – требуют использования для их изготовления материалов с особыми параметрами:

  • Высокой механической прочностью
  • Хорошей теплопроводностью
  • Малой плотностью
  • Незначительным коэффициентом линейного расширения
  • Антифрикционными свойствами
  • Коррозионной устойчивостью

Такими свойствами обладают специальные алюминиевые сплавы, отличающиеся легкостью и термостойкостью. Реже в изготовлении поршней используются серые чугуны и сплавы стали.

Поршни могут быть литыми или коваными. Первые производятся путем литья под давлением, вторые – методом штамповки из алюминиевого сплава с небольшим добавлением кремния (около 15 %). Это значительно увеличивает их прочность и снижает степень расширения материала в диапазоне рабочих температур.


Устройство поршня

Стандартный поршень автомобильного двигателя состоит из трех основных частей: днища, поршневых колец и направляющей (юбки).

Рассмотрим каждый компонент подробнее.


Днище поршня

Форма днища зависит от типа двигателя, особенностей камеры сгорания и многих других факторов. Поршень может иметь плоское, вогнутое или выпуклое днище.

Детали с плоским днищем наиболее просты в производстве, используются как в бензиновых, так и дизельных двигателях вихрекамерного и предкамерного типа.

Поршни с вогнутым днищем свойственны для дизельных двигателей. Они обеспечивает более эффективную работу камеры сгорания, однако способствуют большему образованию отложений при сгорании топлива.

Выпуклая форма днища улучшает производительность поршня, но при этом снижает эффективность процесса сгорания топливной смеси в камере.

Днище поршня принимает на себя основную термонагрузку, в связи с чем имеет самую большую, по сравнению с другими деталями, толщину: 7-9 мм в обычных бензиновых двигателях, 11 мм – в турбомоторах, 10-16 мм – в дизельных двигателях.

Существуют также автомобили, в которых установлены поршни с толщиной днища меньше стандартной – например, в некоторых моделях Honda она составляет всего 5,5-6 мм.

Днища некоторых поршней в целях увеличения прочности, снижения вероятности перегрева и прогорания подвергаются твердому анодированию: на верхний слой алюминия накладывается керамическое покрытие толщиной 8-12 мкм.

Уплотняющая часть

К уплотняющей части поршня относятся поршневые кольца, установленные в специальных канавках. В большинстве современных двигателей используется три кольца – одно маслосъемное и два компрессионных.

Маслосъемные кольца, как следует из названия, предназначены для удаления излишков масла со стенок цилиндра и предотвращения их попадания в камеру сгорания. Для этих целей служат сквозные отверстия, расположенные по периметру кольца.

Сквозь них масло поступает внутрь поршня, а затем отводится в поддон картера двигателя.

Компрессионные кольца предотвращают попадание отработавших газов из камеры сгорания в картер. По форме они могут быть трапециевидными, коническими или бочкообразными. Некоторые виды колец оснащены пружинным расширителем.

Наибольшие нагрузки воспринимает первое (верхнее) компрессионное кольцо, поэтому для увеличения ресурса данной детали ее канавку укрепляют при помощи стальной вставки.

Диаметр уплотняющей части поршня меньше диаметра его направляющей части. Это связано с неодинаковым нагревом этих зон – в районе колец он больше. Минимальный диаметр жарового пояса позволяет избежать задиров и заклинивания колец в канавках.

Качество колец имеет огромное значение для уплотнения поршня. В этом отношении чугунные маслосъемные кольца намного надежнее составных, так как при их установке возникает меньше ошибок.


Направляющая часть

Направляющая (тронковую) часть поршня называют юбкой. С внутренней стороны она имеет бобышки, в которых находится отверстие под поршневой палец.

Нижняя кромка юбки предназначена для расточки и подгонки поршня. На ней имеется специальный буртик, с внутренней стороны которого в процессе механической обработки снимается часть металла.

В местах отверстий под поршневой палец с наружной части юбки вырезаются специальные углубления, вследствие чего стенки этих зон не взаимодействуют со стенками цилиндра, образуя так называемые «холодильники».

Стенки юбки предназначены для восприятия бокового давления. Естественно, что трение поршня о стенки цилиндра и нагрев обеих деталей при этом увеличивается.

Чтобы обеспечить свободное перемещение поршня в цилиндре, между юбкой и стенками гильзы предусмотрен зазор. Его величина зависит от линейного расширения металла поршня и цилиндра при нормальной работе двигателя. При слишком маленьком зазоре возникает перегрев, грозящий образованием задиров на поверхностях и заклиниванием поршня в цилиндре. Большой зазор также не рекомендован, так как поршень при этом не выполняет своих уплотняющих свойств.

Многие автопроизводители еще на этапе производства поршней наносят на юбки специальные антифрикционные покрытия. Это позволяет защитить их поверхности от преждевременного износа и облегчить приработку.

В последнее время большую популярность не только в промышленности, но и в частном использовании приобрело антифрикционное твердосмазочное покрытие MODENGY Для деталей ДВС. Оно предназначено не только для поршней, но и для других деталей двигателя: коренных подшипников коленчатого вала, втулок пальцев, распредвалов, дроссельной заслонки.

Данное покрытие эффективно снижает износ и трение, предотвращает скачкообразное движение сопряженных поверхностей, появление на них задиров и заклинивание поршня в цилиндре.

Средство устойчиво к длительному воздействию моторного масла, сохраняет работоспособность двигателя в режиме масляного голодания.

Полимеризация покрытия MODENGY Для деталей ДВС возможна как при комнатной температуре (за 12 часов), так и при нагреве до +200 °С (за 20 минут).

Удобная аэрозольная упаковка с тщательно настроенными параметрами распыления упрощает процесс нанесения состава.

Перед использованием покрытия производитель рекомендует провести предварительную подготовку деталей Специальным очистителем-активатором MODENGY. Это гарантирует отличную адгезию материала и его долговременную работу.

MODENGY Для деталей ДВС и Специальный очиститель-активатор MODENGY доступны в одном наборе. Поэтапное использование этих средств не требует особых навыков и дополнительного оборудования.

Причины износа поршней

При ежедневной эксплуатации транспортного средства двигатель работает стабильно лишь до определенного момента. Поршни, как и любые другие элементы двигателя, подвержены износу и возникновению неисправностей.

О некорректной работе поршневой группы свидетельствуют:

  • Повышенный расход моторного масла и топлива
  • Выделение из выхлопной трубы синего дыма
  • Нестабильная работа двигателя на холостых оборотах (вибрация рычага КПП)
  • Снижение мощности двигателя и т.д.
  • Нагар на свечах зажигания

При демонтаже ЦПГ могут наблюдаться проблемы, требующие срочного решения и определения причин.

Так, задиры на днище поршня возникают вследствие его перегрева, к которому, в свою очередь, могли привести нарушения процесса сгорания топливно-воздушной смеси, деформация или засорение масляной форсунки, установка поршней неправильного размера и параметров, неисправности в системе охлаждения.

Следы от ударов на днище свидетельствуют о слишком большом выступе детали, неправильной посадке клапана, отложениях масляного нагара, неподходящем уплотнении ГБЦ и др. проблемах.

К появлению трещин на днище приводят недостаточная компрессия в цилиндрах, плохое охлаждение поршня, неисправность впрыскивающей форсунки.

Поршневые кольца могут повреждаться вследствие неправильной установки поршней. В таких случаях кольца подвергаются вибрации и сильному износу в области канавок.

Радиальный износ поршней возникает вследствие избыточного количества топлива в камере сгорания: из-за сбоев в приготовлении смеси, нарушения процесса сгорания, недостаточного давления сжатия, неправильного размера выступов поршней.

Осевой износ происходит в результате загрязнения поршней продуктами износа, образующимися во время приработки двигателя.

Повреждения юбки поршня могут возникать по многим причинам. Например, вследствие ассиметричного пятна контакта, которое вызвано скручиванием и/или деформацией шатуна, большим люфтом шатунного подшипника.

Задиры, расположенные под углом, образуются из-за слишком тесной посадки поршней, ошибок при монтаже шатуна горячим прессованием, недостаточной смазки при первом пуске двигателя.

Поверхности юбки подвергаются усиленному трению из-за переобогащения топливно-воздушной смеси, ее недостаточного сжатия, неисправности пускового устройства холодного двигателя, перебоев в зажигании и т.д.

Основной причиной выхода из строя гильз является кавитация, вызванная недостаточным охлаждением, применением некачественной охлаждающей жидкости, неправильной или неточной посадкой гильз цилиндров, а также использованием неподходящих уплотнительных колец с круглым сечением.

Блестящие места в верхней части цилиндра – не что иное как масляный нагар. Он возникает вследствие неисправности некоторых деталей и проникновения масла вместе с газами во всасывающий тракт.

Возникновение вышеописанных проблем, особенно в комплексе, требует серьезного внимания и безотлагательных действий. Промедление в таких случаях грозит дорогостоящим ремонтом или полной заменой двигателя.


ПОРШЕНЬ И ПОРШНЕВОЙ ПАЛЕЦ | Yenmak Engine Parts

ПОРШЕНЬ И ПОРШНЕВОЙ ПАЛЕЦ

Компания Yenmak, продолжая выпускать гильзы для рынказапасных частей, наряду с этим начала производство поршней, выполнив необходимые инвестиции в производство поршней. В настоящее время она продолжает свою деятельность с собственным литейным цехом и опытным коллективом на открытой площади 10000 м² и закрытой площади 7000 м²

Поршень является тактообразующим  узлом двигателя. Он представляет собой цилиндр, который влияет на движение двигателя.Дисковый поршень помогает преобразовывать механическую энергию в химическую энергию в автомобилях.В моторизованной системе коленчатый вал должен вращаться, чтобы тепловая энергия превращалась в механическую энергию.Поршень нужен для вращения коленвала, который воспринимает усилия от поршня и преобразует их в крутящий момент.

Поршень — это устройство, соединенное с системой кривошипа в автомобилях. Сводя к минимуму износ поршня можно продлить срок службы двигателя. Материал поршня, его овальная форма являются советами, которые поддерживают этот период эксплуатации. Несмотря на то, что поршеньвыглядит как простоеустройство, он является одной из самых важных частей в автомобиле, требующий технических знаний для определения размеров.

Основываясь на всей этой информации, а также на накопленном опыте, на рынке под маркой Yenmak выпускаются поршни для бензиновых и дизельных двигателей диаметром от 60 до 175 мм. Yenmak использует собственный опыт для производства поршней с использованием наиболее подходящего сырья и структуры, подходящей для двигателей разных моделей.

СТРУКТУРА ПОРШНЯ
Вокруг поршня имеются кольцакруглой формы. Эти кольца не только помогают поршню разместиться в цилиндре, но также предотвращают утечку газов и попадание масла в камеру.

Движение поршня при сгорании газов происходит следующим образом: в верхней части поршня имеется полость камеры сгорания в верхнем блоке двигателя. Свежий воздух и топливо воспламеняются в этой области от свечи зажигания. Воспламеняющееся топливо, перемещает поршень.

Цилиндропоршневая группа КАМАЗ

Цилиндропоршневая группа — важнейшая часть двигателя внутреннего сгорания. От качества поршня, гильзы, пальца и поршневых колец зависит срок службы двигателя, его мощность, расход масла и топлива. ОАО «КАМАЗ» рекомендует использовать только оригинальные комплекты цилиндропрошневой группы к автомобилям КАМАЗ и для этого есть целый ряд причин.

Производство

Осенью 2009 года ОАО «КАМАЗ» и «Federal Mogul Corporation»  создали совреместное предприятие «Федерал Могул Набережные Челны» для выпуска деталей цилиндропоршневой группы. Компания «Fedral Mogul Corporation» обладает многолетним опытом производства и проектирования ЦПГ для мировых автомобильных брендов: Mercedes-Benz, MAN, Volvo, Renault, BMW, GM, Ford, Cummins.

Совместное предприятие ОАО «КАМАЗ» и  «Federal Mogul Corporation» на сегодняшний день используют наиболее современные и инновационные подходы в разработке и производству комплектов Цилиндро-поршневой группы. Регулярно улучшаются и обновляются производственные мощности завода в Набережных Челнах, вносятся дополнительные технические решения, совершенствуется система контроля качества. В  2012 г. было закуплено и запущено в работу  новое мехообрабатывающее оборудование под поршень и гильзу цилиндра, новая печь проходного типа под сушку графита поршня.  

Все детали цилиндропоршневой группы производятся на совместном предприятии, только для автомобилей KAMAЗ и реализуются конечным покупателям, только через официальных дилеров по запасным частя ОАО «КАМАЗ». Найти ближайшего к Вам дилера вы можете здесь.

Основные технические достижения

Цилиндропоршневая группа КАМАЗ регулярно совершенствуется, повышаются требования к ее технологичности и надежности, но при этом на рынке запасных частей продаются ЦПГ альтернативных и контрафактных производителей. Научно-техническим центром ОАО «КАМАЗ» были проведены испытания альтернативных и контрафактных ЦПГ, в результате которых выявлены серьёзные несоответствия требованиям ОАО «КАМАЗ», альтернативные ЦПГ значительно уступают ЦПГ КАМАЗ, ухудшают показатели и надежность двигателя.

Ключевые преимущества оригинального поршня КАМАЗ над альтернативными и  контрафактными:

  1. Все поршни КАМАЗ изготавливаются из одного сплава S2N, имеющего лучшие прочностные характеристики, чем у алюминиевых сплавов альтернативной и контрафактной продукции.
  2. Нанесение графитового покрытия на поверхность юбки поршня производится с помощью шаблона (отпадает необходимость защиты головки поршня и отверстия под поршневой палец от попадания графита).
  3. Введены радиусы скругления кромок выемки в поршне и цековок под клапаны для предотвращения трещинообразования характерного для альтернативных и контрафактных ЦПГ.
  4. В конструкции поршня разработан специальный зазор «палец-отверстие в поршне» в отличие от переходной посадки исключает нагрев поршня для монтажа поршневого пальца.
  5. Выемка на юбке под масляную форсунку, а также контур радиусом 130,5 мм под противовес коленвала изготавливаются литьем, а не мехобработкой.
  6. Отсутствует необходимость доработки поршня вручную (снятие заусенцев напильником).
  7. 100% контроль всех основных размеров поршня, в том числе и 100% контроль кромки выемки в поршне и схватываемости нирезистовой вставки ультразвуковым методом.
  8. Качество поршней отвечает требованиям мирового уровня.

Ключевые преимущества оригинальных поршневых колец  КАМАЗ над альтернативными и  контрафактными:

  1. Полная унификация колец для двигателей уровня Евро-1, 2, 3, 4, 5.
  2. Использование вместо молибдена, хромоалмазное покрытие GDC50 на верхнем компрессионном кольце, что увеличивает износостойкость колец в 3 раза в отличии от альтернативных и контрафактных производителей и позволяет достичь ресурса ЦПГ КАМАЗ 1 млн. км.
  3. Введение минутного кольца во второй канавке вместо полутрапецеидального улучшает маслосъемные свойства колец и позволяет достичь расхода масла на угар менее 0,1%.
  4. Качество поршневых колец отвечает требованиям мирового уровня.

Ключевые преимущества оригинальной гильзы КАМАЗ над альтернативными и  контрафактными:

  1. Значительно более сниженные шероховатости и маслоемкости рабочей поверхности гильзы цилиндров, что позволяет получить меньший износ как во время приработки, так и в дальнейшем, а значит и больший интервал замены масла. Кроме того, это снижает расход масла на угар до менее 0,1% от расхода топлива.
  2. При производстве используется характеристика шероховатости поверхности тремя параметрами Rpk, Rk и Rvk и оптимальным углом хона 45°, что позволяет получать гильзы цилиндров со стабильным качеством рабочей поверхности в отличии от альтернативных и контрафактных гильз.
  3. В производстве гильз КАМАЗ используется более качественное литье и механическая обработка позволяющая получать гильзы с качеством исполнения рабочей поверхности мирового уровня.
  4. Гильза цилиндров так же содержит несколько существенных технических преимуществ:
    1. меньший износ, как во время приработки, так и в фазе основной работы.
    2. больший срок службы моторного масла.
    3. расход масла на угар менее 0,1%
    4. ресурс двигателя до капремонта 1 млн. км.

 Плавающий поршневой палец КАМАЗ позволяет монтировать его в поршень без нагрева и улучшает поступление масла в отличии от альтернативных и контрафактных производителей.

Контроль качества

На производстве ЦПГ введены системы наиболее современного и технологичного контроля качества, которыми не могут «похвастаться» альтернативные и контрафактные производители. На предприятии введена целая система контроля качества, которая позволяет выявить наиболее мелкие недостатки. Ключевым из них является зона ультразвукового контроля позволяющего детально контролировать качество поршня, в том числе контроль камеры сгорания и схватываемости нирезистовой вставки.

Именно современная и четкая система контроля позволила ОАО «КАМАЗ» совместно с «Federal Mogul Corporation» разработать наиболее совершенные и качественные детали цилиндро-поршневой группы и продолжать работу над их совершенствованием.

Испытания.

Ключевым аспектом в подтверждении высокого качества и технологичности ЦПГ КАМАЗ является регулярное проведение испытаний в Научно-техническом центе ОАО «КАМАЗ».  Работоспособность оригинальных запчастей ежеквартально подтверждается испытаниями на двигателях КАМАЗ на специальных стендах и ежегодными ресурсными испытаниями на автомобилях КАМАЗ.

Не один альтернативный и контрафактный производитель ЦПГ не может позволить себе такие испытания, так как не обладает специализированными научно-техническими центрами, дорогостоящими испытательными стендами и средствами даже для провидения регулярных ресурсных испытаний по работе деталей на автомобиле КАМАЗ.

Стоит ли платить за такой риск, приобретая цилиндропоршневую группу сомнительного производства? Решение остаётся за Вами, но исследования проводимые ОАО «КАМАЗ» показывают то, что экономия от более низкой стоимости альтернативных и контрафактных ЦПГ приводит к гораздо большим затратам: сокращению ресурса двигателя, росту дополнительных простоев автомобиля, росту затрат на ремонт и повышенный расход масла.

Где приобрести оригинальные запчасти KAMAЗ.

Покупайте  запасные части только  у официальных дилеров ОАО «КАМАЗ». Дилерская и сервисная сеть ОАО «КАМАЗ»  расположена на всей территории России. Официальные дилеры  продают только оригинальные запчасти КАМАЗ — приобретая запасные части у наших дилеров, вы гарантировано, защищены от подделок.

Найти ближайшего к вам дилера вы можете здесь.

Как отличить оригинальные ЦПГ от альтернативных и контрафактных.

Все комплекты Цилиндропоршневой группы КАМАЗ продаются в фирменной упаковке с логотипом KAMAZ. Ознакомитесь с внешним видом упаковки запасных частей ЦПГ КАМАЗ и приобретайте ЦПГ только в данной упаковке:

Фирменная упаковка KAMAZ содержащей специальную этикетку с защитной наклейкой и  надписью «Внимание! ОПЛЛОМБИРОВАННО!» — необходимый атрибут подлинника. Защитная наклейка позволяет контролировать несанкционированное вскрытие упаковки. Как только эту наклейку попытаются убрать с коробки, на ней проявляется надпись «ВСКРЫТО!», которую удалить невозможно.

Все запасные части, реализуемые ООО «АвтоЗапчасть КАМАЗ» содержат код ДЗЧ. Большинство альтернативных и контрафактных производителей заменяют этот номер на другой, для избегания юридической ответственности за производство поддельной продукции. Обратите внимание в нашем списке ЦПГ на код ДЗЧ необходимой Вам запасной части и не приобретайте запасную часть с иным кодом.

Детали цилиндропоршневой группы КАМАЗ для двигателей экологического класса ЕВРО-1 и 2 с ходом 120 мм входят в состав ремкомплектов 740.30-1000128-05 (с высоким поршнем 40-я группа, обозначение 7.12094А101-40, гильзой цилиндров К000918290 или 740.30-1002021, поршневым пальцем 12094-50972  или 740.30-1004020, комплектом поршневых колец 740.60-1000106-02) и 740.30-1000128-06  (с низким поршнем10-я группа, обозначение 7.12094А101-10).

Детали цилиндропоршневой группы КАМАЗ для двигателей экологического класса ЕВРО-2 и 3 с ходом 130 мм, входят в состав ремкомплектов 740.60-1000128-04 (с высоким поршнем 40-я группа, обозначение 7.12094-101-40, гильзой цилиндров К000919000 или 740.51-1002021, поршневым пальцем 12094-50971 или 740.70-1004020, комплектом поршневых колец 740.60-1000106-02) и 740.60-1000128-05 (с низким поршнем 10-я группа, обозначение 7.12094-101-10).

Обратите внимание на маркировку деталей ЦПГ КАМАЗ. На рис.1 представлено фото поршня, маркировка обозначения выполнена на днище ударным способом, при этом цифра 8 после запятой означает порядковый номер последнего изменения внесенного в конструкцию. Размерная группа поршня по высоте указана в нижней строке.

 Рисунок 1.Внешний вид поршня 12094А101-20 и его маркировка.

 На рисунке  2 показана маркировка поршневых пальцев выполненная на торце деталей.

Рис. 2. Маркировка пальцев поршневых

 На рисунке 3 приведена маркировка поршневых компрессионных и маслосъемного колец. Товарный знак предприятия изготовителя GOE 6 нанесен слева от замка. На компрессионных кольцах справа от замка нанесена маркировка ТОР, что означает верх. Торец кольца с такой маркировкой при установке на поршень должен располагаться со стороны днища.

Рисунок 3. Маркировка поршневых колец

Верхнее компрессионное кольцо

Второе компрессионное кольцо

Маслосъёмное кольцо

Второе компрессионное кольцо

Приобретайте только оригинальные запасные части Цилиндропоршневой группы КАМАЗ, это повысит надежность и эффективность работы Вашего автомобиля.

Внимание!

При замене ЦПГ предыдущего поколения на двигатели КАМАЗ, необходимо производить замену поршня, пальца и колец одновременно из нового комплекта ЦПГ, в независимости от величины износа отдельных деталей ЦПГ.

Установка старого пальца в новый поршень и наоборот приведет к дисбалансу работы ЦПГ КАМАЗ, последствиями которого станут серьезные разрушения цилиндропоршневой КАМАЗ и повлекут за собой дополнительный более дорогостоящий и длительный ремонт автомобиля.   

Кованые поршни СТИ

Приветствуем Вас! Мы являемся официальными представителями компании «СТИ», которая занимается производством кованых поршней в г. Тольятти. Деятельность ведется от имени ИП Маньшин Е. В.

В нашем магазине будет представлен полный асортимент выпускаемой продукции, который постоянно расширяется.

Магазин «Поршни-СТИ.рф» это:

  • Кованые поршни отличного качества для Вашего автомобиля – основная специализация нашего интернет-магазина
  • Материал аналогичен сплаву М124P фирмы Mahle, американский аналог сплав 4032.
  • Полный цикл производства — от получения заготовки до упаковки
  • Возможность изготовления поршней с нуля
  • Гарантированное качество исполнения с точностью до 0,002мм (2 микрона!)
  • Твердость по Бринеллю — 120 единиц (у литых эта цифра в районе 85-90)
  • Термоциклическая стойкость «Нагрев-охлаждение» около 2500 циклов
  • Доставка по городу в день заказа
  • Доставка заказов по всей стране от 1 рабочего дня
  • Доставка заказов в любую точку мира
  • Бонусы и скидки для постоянных клиентов

Мы рады предложить вам недорогие, но качественные товары с развернутым и подробными описаниями, характеристиками и фотографиями.

У нас Вы можете купить или заказать кованые поршни с доставкой в регион и в любую страну мира.

Осуществим подробную консультацию по товарам и поможем с выбором.

 

Подписывайтесь:

Instagram: @Forged_Pistons_STI

Drive2: ForgedPistons

 

История компании СТИ:

Коллектив компании СТИ – это:

  • команда высококвалифицированных инженеров, обладающих более чем 30летним опытом в области проектирования, доводки и изготовления двигателей;
  • оригинальные технические решения, тщательная конструкторская и технологическая проработка, при производстве использование лучших технологических процессов, активное участие в адаптации и доводке наших изделий;
  • надежный партнер в области разработки и инжиниринга при создании и модифицировании двигателей.

Основной деятельностью компании является производство кованого поршня. Наши специалисты, начиная с 1995, связаны с темой кованого поршня. Проблема с прочностью поршня возникла когда, форсированные двигатели ВАЗ-21083, оснащённые системами впрыска и четырьмя дроссельными заслонками, достигли удельных показателей не менее 92 лошадиных сил с одного литра рабочего объёма. Для обеспечения надёжной работы таких двигателей потребовалось применение поршней из заготовки, полученной методом ковки. Кованая заготовка имеет нулевой балл пористости, что невозможно при получении заготовки методом литья в кокиль. Что бы обеспечить зазоры между поршнем и цилиндром, принятые для серийных двигателей, были выполнены работы по выбору материала заготовки.

С 2006 года наши специалисты участвовали в проектировании и доводочных работах по двигателю, подготовленному для ралли, технические требования «Супер 1600». Удельные показатели такого двигателя не менее 120 л.с. с одного литра рабочего объема. Поршни для данного двигателя производились только из кованой заготовки, термоциклическая стойкость таких поршней в 5 раз выше, чем у поршней полученных методом литья в кокиль.

На сегодняшний день компания СТИ имеет замкнутый технологический цикл для производства кованого поршня. Мы получаем металл, создаем конструкцию, изготавливаем производственную оснастку, пишем программное обеспечение для станков с ЧПУ, наносим противозадирное покрытие, упаковываем и поставляем готовое изделие заказчику. Наши производственные мощности позволяют производить от 600 штук поршней в месяц.

Современные двигатели, особенно с наддувом, имеют удельные показатели 100 и более лошадиных сил с одного литра рабочего объема, в данном случае, применение поршней из кованой заготовки, является оправданным.

Основные преимущества кованого поршня СТИ:

  • приобретённый опыт, применяемый при создании конструкции поршня, проверен во время эксплуатации спортивных двигателей;
  • показатели кованого поршня по износостойкости, прочности, теплоемкости выше аналогичных показателей для литого поршня;
  • противозадирное покрытие, наносимое на поршень, защищает от износа, снижает склонность к задирам, особенно при тяжелых условиях работы (пуск при пониженных температурах, недостаток смазки, перегрев и т.п.)
  • оборудование (станочный парк), на сегодняшний день, одно из самых современных и периодически обновляется.

Наш магазин, а так же огромное количество клиентов, по достоинству оценили качество даного производителя. Мы готовы ответить на любые интересующие Вас вопросы.

Влияние материала поршня на процесс сгорания топлива в двигателе | Sciact

Влияние материала поршня на процесс сгорания топлива в двигателе Научная публикация

Общее Язык: Русский, Жанр: Статья (Full article),
Статус опубликования: Опубликована, Оригинальность: Оригинальная
Журнал Вестник СИБАДИ
ISSN: 2071-7296 , E-ISSN: 2658-5626
Вых. Данные Год: 2016, Том: 51, Номер: 5, Страницы: 61-68 Страниц : 8
Ключевые слова поршень, материал, покрытие, процесс сгорания, катализатор
Авторы Ведрученко В.Р. 1 , Иванов А.Л. 2 , Борисов В.А. 3,4 , Литвинов П.В. 1
Организации
1 Омский государственный университет путей сообщения
2 Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
3 Омский государственный технический университет
4 Институт проблем переработки углеводородов Сибирского отделения Российской академии наук

Проведён обзор существующих видов поршней двигателей внутреннего сгорания. Выполнен анализ влияния материалов поршня на температуру в цилиндре и процесс сгорания. Рассмотрены варианты применения различных видов поршней в двигателях внутреннего сгорания, соответствующих классам экологичности Евро. Приведены формулы, параметры которых будут изменены при использовании покрытий различного рода. Рассмотрены химические процессы сгорания топлива при использовании каталитических материалов. Сделаны выводы о возможных изменениях методик расчёта процесса сгорания.

Часть 1: Как моделировать линейный электромагнитный поршень

Электромагнитный поршень — это электромеханическое устройство, которое преобразовывает электрическую энергию в линейное механическое движение. Примерами могут служить закрытые электромагнитные клапаны, а также закрытые и открытые электромагнитные реле. В этой заметке мы покажем, как моделировать электромагнитный поршень и его динамику. В данном примере он состоит из многовитковой катушки, магнитного сердечника, немагнитных направляющих и магнитного поршня.

Применение электромагнитных преобразователей

Линейные электромагнитные преобразователи широко используются в промышленности в схемах, где требуется линейное движение. Такие устройства нашли широкое применение в электромагнитных реле, электромагнитных клапанах, автоматических выключателях и контакторах. Данные технологии применяются в различных отраслях, таких как сельское хозяйство, строительство, автомобилестроение и роботостроение.


Простейшее электромагнитное реле с механической пружиной, катушкой, якорем и сердечником.

Программное обеспечение COMSOL Multiphysics позволяет проектировать линейные электромагнитные преобразователи. Благодаря встроенному функционалу можно рассчитать механические характеристики, рабочие электрические характеристики, эффективность устройства и рабочую частоту в зависимости от конструкционных параметров (размеров, материалов, входного напряжения, тока и т.д.). Пример более комплексного устройства мы рассмотрим в следующей части.

Моделирование линейного электромагнитного поршня в COMSOL Multiphysics

В этом же блоге мы рассмотрим простейший электомагнитный поршень, который состоит из многовитковой катушки, магнитного сердечника, немагнитых направляющих и магнитного поршня. Как показано на рисунке ниже, эти части соединяются с пружиной и демпфером. После подачи (прямоугольного импульса) тока на катушку соленоида, последний создаёт магнитное поле вокруг магнитного сердечника и поршня. Воздействие магнитного поля создаёт силу, которая втягивает поршень, двигая его вверх и разжимая пружину. При макисмальной силе поршень располагается внутри сердечника таким образом, что магнитный поток замыкается с минимальными потерями.

Трёхмерный (слева) и двухмерный осесимметричный (справа) вид электромагнитного поршня в разрезе.

Для тестовой модели Electromagnetic Plunger (Электромагнитный поршень) мы используем двухмерную осесимметричную постановку. Затем добавим интерфейсы Magnetic Fields (Магнитные поля), Moving Mesh (Подвижная сетка) и Global ODEs and DAEs (Глобальные ОДУ и ДАУ), а также выберем исследование — Time Dependent (Нестационарное во временной области). Далее, зададим параметры модели в Global Definitions > Parameters (Глобальные определения > Параметры), как показано на скриншоте ниже.


Список конструкционных параметров для модели электромагнитного поршня.

Для воссоздания большого поступательного перемещения поршня будем использовать «скользящую» сетку для моделирования движения. Для этого в узле Геометрия необходимо разделить подвижную и неподвижную части, создав два разных Union (Объединения). Затем мы завершим создание геометрии, используя узел Form Assembly (Построение сборки), что приведет к автоматическому созданию т.н. тождественной пары (Identity pair) на границе раздела двух Union’ов. Для упрощения моделирования рекомендуется дополнительно создать геометрические выборки (selections) для направляющих, сердечника, катушки, поршня, исходной границы и конечной границы (тождественной пары), а также границы для расчёта силы, как показано на скриншоте ниже.


Различные геометрические выборки для неподвижных и подвижных частей и для идентичных пар в построителе моделей.

Чтобы рассчитать массу поршня, M, которая понадобится для исследования динамики системы, воспользуемся оператором интегрирования, Integration 1 (intop1). Этот оператор вычисляет объём клапана и умножает его на плотность материала. В данном примере поршень сделан из низкоуглеродистой стали 1002 — материала с индексом (mat 3). Также нужно определить переменную для электромагнитной силы, F_z, которую мы будем использовать для расчёта тензора напряжений Максвелла, действующих на поршень. Для этого в физический интерфейс Magnetic Fields необходимо добавить узел Force Calculation (Расчёт силы) и указать имя силы — force. Как это сделать мы подробно объясним в следующем разделе.


Оператор интегрирования и задание переменных.

Моделирование электромагнитных полей в системе

Для расчёта электромагнитных полей в нашем устройстве будем использовать физический интерфейс Magnetic Fields. Чтобы указать то, что поршень сделан из нелинейного магнитного материала, выберем материальную модель H-B curve (H-B-кривая намагничивания) в узле Ampère’s Law (Закон Ампера), который нужно дополнительно добавить в интерфейс. Для сердечника, выполненного из мягкого железа (Soft Iron) проведем аналогичную операцию. Обратите внимание, что в таком случае, имея два различных узла Ampère’s Law, мы можем использовать для поршня и сердечника разные материальные модели при необходимости.

Окно настроек узла Ampère’s Law и H-B-кривая намагничивания нелинейного материала поршня.

С помощью узла Mulit-Turn Coil (Многовитковая катушка) в физическом интерфейсе Magnetic Fields зададим соленоидальную обмотку (Примечание: начиная с версии 5.2a, для этой цели используется узел Coil c опцией Homogenized Multiturn). Обмотка состоит из 200 витков (Nturns = 200), диаметр провода — 1 mm (Dia_wire = 1 mm), электрическая проводимость — 6e7 s/m. Протекающий через катушку ток зададим прямоугольным импульсом: I_coil = I0_wire*rect1(t[1/s]), где rect1() — это прямоугольная функция, определяемая пользователем в Definitions > Rectangle 1. Амплитуда тока I0_wire = 4 A.


Окно настроек узла Multi-Turn Coil (Многовитковая катушка), где заданы выражения для тока и параметры обмотки.

Для расчёта силы, действующей на поршень, добавим узел Force Calculation, который будет рассчитывать силу, действующую на поршень в зависимости от протекаемого тока на основе тензора напряжений Максвелла. Поршень сделан из магнитного материала, поэтому для расчёта мы не можем использовать метод расчёта силы Лоренца, т.к. он подходит только для проводящих немагнитных материалов. Метод расчёта тензора напряжений Максвелла требователен к качеству и разрешению сетки, особенно на границах выбранной области. Чтобы корректно рассчитать силу, рекомендуем провести исследование по сеточной сходимости (mesh refinement study).

Далее, чтобы связать магнитные поля между неподвижными и подвижными частями, нужно добавить граничное условие Continuity (Непрерывность) на соответствующую тождественную пару Identity Pair.2}+D\frac{dp}{dt}+kp-F_z(p,v,t)=0

где p — это положение поршня по оси z, v — скорость, M — масса поршня, F_z(p,v,t) — электромагнитная сила, действующая на поршень (против пружины). Приведённое выше уравнение (второго порядка) можно записать, как два раздельных дифференциальных уравнения (первого порядка) для положения поршня и его скорости:

(2)

M \frac{dv}{dt}+Dv+kp-F_z(p,v,t)=0

и

(3)

\frac{dp}{dt}-v=0

Данные уравнения мы запишем в физическом интерфейсе Global ODEs and DAEs, в котором добавим два отдельных узла global equations (глобальные уравнения), как показано ниже.


Реализация двух дифференциальных уравнений, описывающих движение и положение поршня, в физическом интерфейсе Global ODEs and DAEs.

Моделирование поступательного движения поршня

Для моделирования поступательного движения электромагнитного поршня добавим интерфейс Moving Mesh (Подвижная сетка). Ранее, в учебной модели колеблющегося магнита, мы уже описывали методику того, как применять интерфейс Moving Mesh только к подвижным частям. В нашей модели – это поршень и область воздуха слева от идентичной пары. Воздушная область слева от идентичной пары для упрощения настройки подвижной сетки разделена на три секции. Сетка в верхней и нижней воздушных областях будет сделана деформирующейся, т.е.»расширяющейся» или «сжимающейся», а в средней области распределение будет фиксированным, но при этом она будет передвигаться в соответствии с заданными условиями на границе.

Затем добавим узел Prescribed Mesh Displacement (Предустановленное смещение сетки) и зададим в поле Prescribed z displacement (Предустановленное смещение по оси z) переменную p, которая будет определять положение поршня. Две вертикальные направляющие, которые мы задали в выборке Guiding Boundaries, ограничены только в направлении r. Так что в окне настроек снимем флажок в поле Prescribed z displacement. На рисунке ниже показано окно настроек физического интерфейса Moving Mesh.

Примечание: Мы специально задали, что поршень двигается вместе с небольшой областью воздуха вокруг него. Это упрощает настройку построения сетки для интерфейса Moving Mesh, так как позволяет использовать структурированную сетку (типа Mapped) для двух других воздушных областей. Мы рассмотрим и более сложные конфигурации сетки во второй части данной серии.


Окно настроек интерфейса Moving Mesh (Подвижные сетки).

Есть и другой вариант настройки подвижных сеток: неподвижные области задаются в узле fixed mesh (фиксированная сетка), в то время как подвижные — с помощью узлов prescribed deformation (предустановленная деформация) в направлении оси z, при этом переменная положения, p, из физического интерфейса Global ODEs and DAEs определяет задаваемое движение.


Альтернативный способ задания настроек интерфейса Moving Mesh.

Анализ результатов расчёта

Результаты расчёта во временной области (time-dependent) электромагнитного поршня можно увидеть на графиках ниже. Мы выполнили расчёт для двух различных коэффициентов затухания. Как и ожидалось, колебания в системе больше при коэффициенте затухания меньшем, чем его критическое значение. Тем не менее, время нарастания импульса короче.

Графики положения поршня (слева) и его электромагнитной силы (справа) в зависимости от времени для разных коэффициентов затухания.

Графики скорости поршня в зависимости от времени для разных коэффициентов затухания (слева) и тока, протекающего по катушке, в зависимости от времени (справа).

На анимации ниже показано движение поршня в зависимости от протекающего в катушке тока. Слева изображена 3D-анимация динамики электромагнитного поршня (визуализируется магнитная индукция). Справа представлены анимированные зависимости положения поршня и тока, протекающего по катушке, от времени.

Заключетельные соображения по моделированию электромагнитных поршней и преобразователей

В данной заметке мы пошагово рассмотрели моделирование линейного/поступательного электромагнитного преобразователя с использованием трёх различных физических интерфейсов: Magnetic Fields (Магнитные поля), Moving Mesh (Подвижная сетка) и Global ODEs and DAEs. Мы показали, как рассчитывать электромагнитную силу, положение поршня и его скорость, связав физические интерфейсы Magnetic Fields и Moving Mesh и записав дифференциальные уравнения, описывающие движение поршня.

Следите за последующими публикациями в нашем корпоративном блоге, чтобы узнать, как можно ещё больше расширить данную динамическую модель поршня за счет учета ограничителей. Во второй части мы рассмотрим, как добавить физический интерфейс Events (События) для моделирования срабатывания и остановки электромагнитного поршня.

Дополнительная информация о том, как моделировать электромагнитные устройства

Что делает гоночный поршень?

В то время как любой поршень может быть «гоночным», чтобы по-настоящему определить, «что делает гоночный поршень», необходимо углубиться в целенаправленный дизайн и разработку.

Это явно открытый вопрос, потому что в ответе будут выделены сверхсложные поршни, разработанные для Формулы 1 и World Endurance Challenge (WEC), но, чтобы быть полностью буквальным, ответ должен признать вручную модифицированные литые заводские поршни, используемые в Hobby Stock. гонки по местной грунтовой дороге.

Ради аргумента, давайте определим гоночный поршень как поршень, который лучше всего подходит для любого строителя, собирающего двигатель для соревнований по автоспорту. Оттуда обсуждение может перейти к более конкретным темам для разговора.

«Обычно [гоночный поршень] представляет собой тщательно разработанную конструкцию, которая претерпела множество изменений для оптимизации использования в очень специфических условиях», — сказал Алан Стивенсон, старший технический менеджер по работе с клиентами.

В специально созданный гоночный поршень, например, в этот патрон Top Fuel, многое входит.В первую очередь гоночный поршень разработан для конкретного применения и обладает конструктивными особенностями, позволяющими однозначно адаптировать его к этому применению.

Простое сравнение поршней эпохи маслкаров 60-х годов с современными более продвинутыми продуктами, безусловно, подтвердит эту позицию. Производители улучшили материалы и конструкцию за счет передового компьютерного моделирования для повышения мощности и топливной экономичности.

Чтобы начать эту гоночную сессию, рассмотрим основы конструкции алюминиевого поршня.Если нет особых ограничений в правилах, в гонках всегда будет предпочтительнее кованый поршень, а не гипс. «Кованые изделия — это стандарт, обеспечивающий превосходную гибкость конструкции и наилучшее соотношение цены и качества», — сказал Стивенсон. «Cast не обладает гибкостью и поэтому не может быть развит или оптимизирован. Литые поршни также тяжелые и хрупкие, но их производство дешево ».

Кованые поршни могут быть изготовлены либо из кованой заготовки (справа), где вся форма поршня выточена из кованого алюминиевого цилиндра, либо из сетчатой ​​поковки, которая сжимается до своей окончательной формы с помощью штампа для ковки.Подробнее о процессе ковки поршней ЗДЕСЬ.

Двигатели малой мощности могут выжить и с литыми поршнями, так как они не заметят чрезмерного нагрева или высоких оборотов. Вы мало что можете сделать для улучшения характеристик с помощью литого поршня, кроме как отшлифовать немного металла в заводной головке, чтобы очистить клапаны, если установлен более агрессивный распределительный вал.

В 80-х и 90-х годах заэвтектика стала модным словом в индустрии поршней. Заэвтектический поршень — это поршень, у которого больше 12.5 процентов кремния в его металлическом составе, обычно от 16 до 18 процентов. Стандартный литой алюминиевый поршень содержит от 8 до 10 процентов силикона, что улучшает твердость и помогает уменьшить износ вокруг кольцевых канавок, юбки и выступа пальца. Заэвтектический поршень по-прежнему изготавливается методом литья, но сплав немного легче, а из-за повышенной прочности отливку можно обрабатывать немного тоньше, чтобы уменьшить еще больший вес.

Кованые поршни изготавливаются из двух разных материалов: алюминия 4032 и 2618.У каждого из них есть уникальный список плюсов и минусов, которые делают его предпочтительным сплавом для различных применений.

Тем не менее, кованый поршень будет намного прочнее, и поэтому он доминирует на рынке рабочих характеристик. Есть два алюминиевых сплава, популярных в поковках: SAE 4032 и SAE 2618. Здесь делается другой выбор, который часто отличает или, по крайней мере, является хорошим аргументом в пользу гоночного поршня, хотя один сплав не всегда «лучше», чем Другой.

«Термин« лучше »сложен.«Если бы только один сплав лучше подходил для достижения каждой цели, не было бы нескольких предложений», — объясняет Стивенсон. «4032 меньше расширяется, поэтому ему требуется меньше холодного зазора, что приводит к более тихой работе. Это может быть важно для двигателей EFI с датчиками детонации. 4032 менее плотный, поэтому данная конструкция будет легче, чем 2618, однако 4032 не имеет такого сопротивления высокотемпературному отжигу, как 2618 ».

Опять же, содержание кремния является определяющим фактором. Поршень 4032 содержит от 11 до 13 процентов кремния, а поршень 2618 — менее 10%.25 процентов. «2618 имеет более высокий предел прочности, лучшее сопротивление отжигу при повышенных температурах и лучшую пластичность. В гоночной среде часто цель состоит в том, чтобы минимизировать вес, не жертвуя долговечностью в условиях высоких температур. По этим причинам 2618 часто получает одобрение, — продолжает Стивенсон.

В поршне слева используются кольца размером 5/64 дюйма. Это очень распространенный размер, используемый во время мускул-карэра. В поршне справа используется более тонкое верхнее кольцо диаметром 1,2 мм. Это уменьшает трение, высвобождая лошадиные силы и позволяя двигателю быстрее набирать обороты.

Хотя большинство гоночных поршней изготавливаются из алюминия марки 2618, в гонках высокого класса используются некоторые экзотические материалы — или, по крайней мере, они были опробованы до того, как были запрещены. Алюминиево-бериллиевый сплав, который отличается исключительной легкостью и прочностью с превосходными тепловыми свойствами, был разработан Mercedes / Ilmor для команды McLaren Formula 1 в конце 90-х годов. Однако сплав был быстро запрещен, потому что бериллиевая пыль чрезвычайно опасна, а при пожаре элемент превратится в оксид бериллия, который чрезвычайно токсичен.

Новейшим передовым сплавом, применяемым в автоспорте, является композит с металлической алюминиевой матрицей или MMC. Еще один очень жесткий и легкий сплав, MMC также запрещен Формулой 1, но продолжает вызывать интерес в других областях автоспорта, где правила более открыты.

Более тонкие поршневые кольца из лучших материалов часто входят в состав гоночных поршней. Верхнее кольцо, изображенное на фотографии, изготовлено из высокоуглеродистой стали и имеет толщину 0,043 дюйма. Это хорошо распространенная монета слева для сравнения.

В течение многих лет ведущие производители двигателей предпочитали заготовки поршней кованым версиям — и, вероятно, не по той причине, о которой вы могли подумать. «Заготовка — это не просто вариант поковки, — сказал Стивенсон. «Заготовки рассматриваются как законченные инженерные решения, которые проходят через несколько итераций архитектурного проектирования с использованием моделирования FEA для оптимизации проекта в очень специфическом наборе условий окружающей среды. Наиболее популярные конфигурации предлагаются в качестве элемента каталога, но если обнаруживается несоответствующая комбинация, именно здесь можно спроектировать и изготовить кованый поршень по индивидуальному заказу всего за пару недель.Это половина нашего дела ».

Другими словами, заготовки поршней в основном используются в проектах разработки в сжатые сроки, когда критические изменения могут быть внесены быстро, не беспокоясь о том, что подходящая поковка недоступна. Споры о прочности заготовки и поковки будут иметь как транспортиры, так и противники с обеих сторон, но, вообще говоря, правильно выполненная поковка будет иметь сильные стороны в структуре зерна, которых не будет у поршня заготовки. «Вероятно, 98 процентов гоночных формул имеют поддельную опцию, доступную на вторичном рынке», — подтверждает Стивенсон.

Противодетонационные канавки (слева) предназначены для устранения скачков давления, вызванных детонацией. Канавки гидроаккумулятора (справа) обеспечивают дополнительный объем под верхним кольцом, поэтому давление не увеличивается и не пытается вывести верхнее кольцо.

В дополнение к улучшенным материалам и передовым методам строительства были разработаны специальные функции для увеличения мощности за счет тепловой динамики, уменьшения веса или снижения трения. Ниже приведены некоторые примеры элементов дизайна, зачастую уникальных для гоночных поршней:

Наборы тонких колец

Хотя некоторые экзотические двигатели используют пакеты с двумя кольцами, большинство гоночных приложений придерживаются проверенных схем с тремя кольцами.Что кардинально изменилось, так это толщина этих колец, особенно в Pro Stock и других двигателях, не предназначенных для длительного использования. «Вы уменьшаете трение и массу, высвобождая мощность и позволяя двигателю разгоняться быстрее. Секрет мощности в любом двигателе, не имеющем аналогов, заключается в использовании максимально тонких колец, плоско притертых и совмещенных с суперплоской канавкой под кольцо, а также обеспечения минимального осевого и радиального зазора », — добавляет Стивенсон.

Булавки на запястье выполняют важную функцию, но они также тяжелые. Выбор ширины и толщины стенок, подходящих для применения в двигателях, имеет первостепенное значение.Двигатель с круговой гусеницей с сильным обмоткой, скорее всего, будет иметь легкий палец на запястье из высококачественного сплава, тогда как двигатель с турбонаддувом предпочтет более тяжелый настенный палец для дополнительной прочности.

Канавки для предотвращения детонации, канавка постоянного давления и канавка гидроаккумулятора

«Канавки гидроаккумулятора подходят для каждого поршня, но лучше всего подходят для поршней с газовыми портами», — объясняет Стивенсон. «Они работают по закону Бойля; давление и объем обратно пропорциональны. Из-за нормального вторичного движения (поршневой удар) верхнее кольцо имеет тенденцию на мгновение расстраиваться, поскольку оно быстро меняет направление через ВМТ.Поскольку это происходит около пикового горения, давление сгорания имеет тенденцию преодолевать верхнее кольцо, пока не стабилизируется. Давление сгорания также проходит в торцевом зазоре кольца. Накопительные канавки почти вдвое превышают объем под верхним кольцом, снижая давление в соответствии с законом Бойля и предотвращая давление на верхнее кольцо с нижней стороны, что способствует колебанию кольца ».

Маленькие и легкие булавки на запястье

Всегда желательно иметь меньший вес, но использование меньшего или более тонкого булавки на запястье может снизить прочность и долговечность двигателя.«Зачастую это происходит за счет использования более качественных и дорогих материалов, но при этом уменьшается масса, чтобы двигатель разгонялся быстрее», — добавляет Стивенсон.

Укорачивание юбки поршня — хорошее место для удаления массы, но также может быть обязательным в применениях с толкателем. Поршни Racing также имеют разные профили юбок, чтобы они оставались устойчивыми в канале ствола при высоких оборотах.

Короткие юбки

Опять же, внесены дополнительные изменения в конструкцию для уменьшения веса и трения, но эти усилия обычно продиктованы и ограничены архитектурой двигателя, например длиной гильз цилиндров и ходом.«Точка измерения юбки поршня должна оставаться в канале ствола на BDC», — сказал Стивенсон.

Тепловое покрытие и покрытие юбки предназначены для увеличения срока службы поршня и увеличения мощности. Чтобы узнать больше обо всех различных типах покрытий и о том, как они работают, щелкните ЗДЕСЬ.

Термические покрытия

Некоторые производители двигателей хотят отводить тепло от поршня, предпочитая, чтобы клапаны и головка блока цилиндров отводили тепло охлаждающей жидкости, а не поршням и кольцам через стенку цилиндра.Тепловые покрытия предназначены для максимального отталкивания тепла от днища поршня, а в некоторых случаях и от камеры сгорания.

Покрытие юбки

«Безусловно, наибольшее трение в двигателе происходит от колец. Дальняя секунда — это подшипники. У юбок минимальное трение, поскольку они скользят по масляной пленке », — говорит Стивенсон. На гоночных поршнях ведущие команды используют покрытия в качестве страховки от перегрева. В условиях OEM и повседневного водителя они используются для защиты от сухого пуска и других ситуаций, когда масло на стенке цилиндра ограничено.

Этот поршень имеет вертикальное отверстие для газа, которое позволяет давлению сгорания попадать за поршневое кольцо, заставляя его проникать в стенку цилиндра и увеличивая кольцевое уплотнение. Это наиболее часто используется в приложениях для дрэг-рейсинга.

Модификации для конкретных приложений

«Некоторые модификации не подходят для одного типа гонок, в то время как они обычно выполняются на поршнях, сделанных для других типов гонок», — предупреждает Стивенсон. «Некоторые примеры включают вращение выступов, погружение выступов, сверление отверстий в юбках или стойках, а также трехмерное фрезерование под коронкой.”

3D-профилирование — это процедура точного фрезерования, при которой головка поршня сохраняет одинаковую толщину независимо от профиля купола. Этот шаг гарантирует, что корона будет иметь необходимую прочность и термостойкость для конкуренции с наименьшим весом. «Это особенно важно при попытке максимизировать степень сжатия, и его также можно использовать для предохранительных клапанов, чтобы обеспечить более плавное перемещение пламени», — добавляет Стивенсон.

Фактическая конструкция коронки и размеры сброса клапана будут определяться камерой сгорания и геометрией клапана.Еще один сигнал гоночного поршня заключается в том, что производитель двигателя отправит изготовителю поршня пресс-форму камеры сгорания, чтобы конструкция купола точно соответствовала профилю камеры.

Наконец, некоторые производители двигателей требуют очень незначительной корректировки общей формы и размеров поршня в соответствии со своими потребностями. «Форма кулачка / цилиндра юбки и диаметры кольцевых пазов являются частью черного искусства оптимизации конструкции во время программы разработки», — говорит Стивенсон.

Как видите, гоночный поршень может иметь одну или многие из упомянутых функций и модификаций.Ключевым моментом является разработка поршня, который отвечает потребностям производителя двигателя, собирающего двигатель для конкретного соревнования.

2618 против 4032 Различия в материалах поршня

Перед выполнением отдельной операции обработки необходимо выбрать идеальный алюминиевый сплав. 2618 и 4032, два наиболее распространенных материала поршней, имеют длинный список различий, которые делают их наиболее подходящими для конкретных применений.

Кажется, чем больше ты знаешь, тем больше тебе предстоит узнать.Для обычного человека стандартные поршни литые, гоночные поршни кованые, а все остальное не имеет особого значения. В мире Питера Пэна этого может быть достаточно, но оказывается, что технология предлагает выбор, и полезно знать игроков лучше, читая карточку с результатами. В случае кованых поршней все сводится к несколько более сложному выбору лучшего из двух сплавов. Слишком много информации может быть неудобным в определенных ситуациях, но когда дело доходит до поршней, больше деталей всегда хорошо.

Поршневые материалы 2618 и 4032 поступают на производство JE Piston в виде прутков. Этот материал разрезают на шайбы и либо выковывают, чтобы придать ему окончательную форму, либо вырезают на станке с ЧПУ, чтобы сформировать поршень из заготовки.

Мы должны начать это обсуждение с небольшой металлургии. Наш подход будет полностью сосредоточен на кованых поршнях. Эти произведения искусства не из чистого алюминия. Вместо этого рабочие поршни изготавливаются из двух совершенно разных сплавов.

Сначала обратимся к сплаву 4032, представленному в большей части линейки поршней JE SRP (Sportsman Racing Products). Этот сплав создан с высоким содержанием кремния — полных 12 процентов. Добавление кремния значительно снижает скорость расширения алюминия, а это означает, что с помощью этой единственной добавки к его смеси поршень теперь может работать с более узкими холодными зазорами.

Элементная структура

2618

4032

Алюминий

93.7%

Алюминий

85%

Медь

2,3%

Кремний

12,230%

12,230%

Магний

1,0%

Железо

1,1%

Медь

0.9%

Никель

1,0%

Никель

0,9%

Кремний

Титан

0,07%

Это дополнительное содержание кремния также повышает долговечность этого сплава, что опять же делает выбор двигателя тысячи километров дорог с низкой нагрузкой.Помимо типичного износа, который вы можете наблюдать на юбках поршней, наиболее критичным местом для максимальной производительности являются кольцевые канавки. Поршень 4032 будет поддерживать надлежащий зазор в кольцевой канавке и уплотнение на протяжении большего пробега.

Между сплавами 2618 и 4032 почти невозможно отличить друг от друга. Поковка слева — 2618, а правая — 4032. Хотя они выглядят одинаково, свойства их материалов значительно отличаются. Сплав

4032 можно использовать в рабочих условиях и даже в соревнованиях с отличными результатами.Однако его пониженная пластичность делает сплав менее устойчивым к растрескиванию при экстремальных ударных нагрузках, таких как детонация или непредвиденный физический контакт, чем в случае сплава 2618. Но пусть это вас не пугает. По словам директора отдела исследований и разработок JE Дэйва Фасснера, были команды Pro Stock, которые экспериментировали с поршнями 4032, потому что этот сплав немного легче.

Характеристики сплава поршня

Характеристики материала

4032

2618

3 фунт / кв. дюйм

Предел текучести

46000 фунт / кв.

11,400 фунтов на кв. Дюйм

10,400 фунтов на кв. Дюйм

Точка плавления

990 — 1,060 F

1,020 — 1,180

902 901 002 Основное отличие сплава 2618, представленного в линейке поршневых поршней JE, заключается в очень низком содержании кремния.Это делает поршень 2618 намного более пластичным, что дает преимущества в условиях высоких нагрузок и напряжений, таких как сумматоры мощности (нагнетатели, турбокомпрессоры или закись азота).

См. Полную линейку поршней JE

Однако это более низкое содержание кремния также означает, что поршень имеет более высокую скорость линейного расширения, которую необходимо компенсировать за счет больших зазоров между поршнем и стенкой. Поршень 2618 расширяется на 15 процентов больше, чем версия 4032. Это, как мы уже упоминали, является причиной того, что поршню 2618 требуется больший зазор, и в результате он будет немного более шумным в холодном состоянии по сравнению с аналогичной поковкой 4032.

В чрезвычайно сложных гоночных условиях, таких как эта сборка 2JZ Toyota, которая будет выдерживать давление почти 100 фунтов на квадратный дюйм, лучше всего подойдет сплав 2618. Он более пластичный, что позволяет ему сопротивляться растрескиванию и выдерживать высокие температуры цилиндра.

Несмотря на различия в зазоре между поршнем и стенкой в ​​холодном состоянии, как только поршни достигнут рабочей температуры, сплавы 2618 и 4032 будут иметь одинаковые рабочие зазоры.

Низкое содержание кремния в 2618 также делает поршень немного менее износостойким по сравнению с 4032.Для поршней, используемых в соревнованиях, это не является важным фактором, поскольку они будут заменены в поисках максимальной мощности задолго до того, как появится значительный износ.

2618 Плюсы и минусы сплава

90c9
Pro Con
Сильнее Шум поршня (в холодном состоянии)
Более высокий
Более высокий Повышенная усталостная долговечность
Превосходная высокотемпературная стойкость

Однако, если износ является важным фактором для поршня 2618 или 4032, JE предлагает дополнительный процесс твердого анодирования для канавки кольца и штифта. расточные области.Процесс анодирования не заключается в нанесении покрытия, проникает через поверхность, а также добавляется слой окисленного алюминия, который намного тверже, чем основной алюминий. Учитывая, что износ контактных площадок кольца напрямую связан с кольцевым уплотнением, это может быть популярным вариантом для двигателей с повышенной износостойкостью, поскольку способ повышения эффективности уплотнения цилиндра, о чем свидетельствует снижение степени утечки.

Большая часть линейки SRP (Sportsman Racing Products) JE изготовлена ​​из сплава 4032. Это придает поршням исключительную прочность для использования в уличных условиях и в некоторых гонках, сохраняя при этом уличный стиль (скорость износа, низкое расширение, низкий уровень шума). Отчасти то, что делает любой металлический сплав прочнее, — это процесс термической обработки, который использует производитель. Каждый из этих сплавов требует немного отличающегося процесса для получения максимальной производительности из материала. Термическая обработка разбита на четырехэтапный процесс с предварительным нагревом, термообработкой на твердый раствор с удалением примесей, закалкой в ​​воде и, наконец, процессом старения, при этом 2618 испытывает более продолжительное время старения.
Слева — поршневой поршень 2618. Справа — шайба для заготовок из алюминия 2618, которая еще не подвергалась какой-либо обработке. Хотя может показаться, что эти различия усложняют процесс принятия решений, каждый из этих двух сплавов действительно имеет тенденцию указывать на определенные преимущества для определенных приложений, поэтому семейство JE предлагает и то, и другое. Сплав 4032 обеспечивает не только меньшее расширение и более тихий запуск в холодном состоянии, но и превосходную прочность по сравнению с характеристиками длительного износа, которые делают его поршнем с отличными эксплуатационными характеристиками.

4032 Плюсы и минусы сплава

Pro Con
Превосходная скорость износа Меньше пластичность
Низкая устойчивость к холоду
Низкая устойчивость к холоду 9030 Немного легче

Сплав 2618 известен своей превосходной жаропрочностью.Это делает его предпочтительным выбором для настоящих гонок — особенно в соревнованиях с широко открытой дроссельной заслонкой. Это также может быть превосходным выбором для серьезного уличного электроснабжения. И, если необходимо учитывать длительный износ кольцевой канавки, вариант анодирования — отличный способ продлить срок его службы.

Этот гоночный поршень изготовлен из сплава 2618. Он полностью обработан для обеспечения абсолютной легкости и обладает превосходными прочностными характеристиками 2618.

Каждый сплав имеет разные характеристики, но в какой-то момент преимущества более прочного, более ориентированного на гонки сплава 2618 делают решение довольно простым, если вы собираетесь участвовать в гонках.Если вы оказались на заборе из сплава, хорошая новость состоит в том, что трудно принять плохое решение.

Поршневой сплав — это лишь одно из многих решений, которые вам нужно будет принять на пути к сборке вашего следующего двигателя. Но вооружившись правильной информацией, у этого двигателя есть отличный шанс показать большую мощность и одновременно вызвать улыбку на вашем лице.

Выбор материала поршня с Mahle Motorsports

Есть множество вариантов, которые необходимо сделать в процессе выбора деталей для новой сборки двигателя; От масляных зазоров до материала коленчатого вала и размеров пружины клапана каждое решение должно приниматься после принятия во внимание цели проекта двигателя, так как многие варианты могут быть отклонены в ту или иную сторону путем небольшой корректировки общих целей.

Один из этих вариантов, который невероятно важен, но который сильно зависит от предполагаемого использования двигателя, — это выбор правильного материала поршня.

В этой статье будут рассмотрены некоторые различия между двумя основными сплавами, используемыми в двигателях с высокими рабочими характеристиками — алюминий 4032 и алюминий 2618 — и обсуждается, что энтузиасту необходимо принять во внимание в процессе первоначального проектирования двигателя, чтобы выбрать правильные детали для применение.

Энтузиаст не может определить, изготовлен ли поршень из сплава 4032 или 2618, при визуальном осмотре, поскольку невооруженным глазом материалы выглядят одинаково.Поршни Mahle имеют фосфатное покрытие, поэтому этот поршень не выглядит чистым из алюминия.

Разница в цифрах

Что касается состава материала, алюминиевые сплавы 4032 и 2618 очень похожи во всем, за исключением одного критического компонента — содержания кремния внутри. В сплаве 4032 гораздо более высокое содержание кремния; 12-13 процентов, где состав сплава 2618 содержит следовые количества 0,2 процента или меньше кремниевого компонента.

Использование сплава 4032 с высоким содержанием кремния дает ряд преимуществ, поэтому Mahle Motorsports использует этот сплав в большинстве поршней, предназначенных для уличных / дорожных и других применений с умеренной мощностью. Наиболее важным является отсутствие расширения материала, что дает много преимуществ.

При установке поршней на двигатель важно не только измерить точку измерения поршня (это обсуждается в документации по поршням), но также измерить отверстия цилиндра для точности.

«Кремний снижает тепловое расширение, а его твердость увеличивает износостойкость. Уменьшение расширения позволяет уменьшить зазоры, уменьшить износ поршня и отверстия и приводит к более тихой работе », — говорит Трей МакФарланд из Mahle.

Высокое содержание кремния в сплаве 4032 помогает поршню выдерживать большее количество циклов нагрева до того, как канавки и юбки колец захотят деформироваться; По сути, поршень лучше сохраняет свою форму при нагрузке из-за сопротивления кремния росту материала.Это имеет хорошие и плохие эффекты, в зависимости от использования, которые рассматриваются в следующем разделе.

«Кремний тверже и не сохраняет тепло на том же уровне, что и алюминий, который он заменяет, что объясняет более низкую скорость расширения и повышенные характеристики износостойкости сплава 4032. Эти характеристики придают сплаву большую стойкость к микросварке в кольцевых канавках, а также к истиранию и истиранию в отверстиях под пальцы, а также обеспечивают более узкие зазоры, которые повышают производительность и долговечность при снижении шума », — отмечает Крейг Ланкастер из Mahle.

Количество кремния (элемент 14), внедренного в сплав, является единственной разницей между поршнем из сплава 4032 и поршнем из сплава 2618. Больше кремния означает большую износостойкость (4032), но за счет способности сплава поглощать массивные нагрузки, такие как нагрузки, которые будут присутствовать при большом количестве наддува или нанесении тяжелой закиси азота.

Эти зазоры обычно устанавливаются на 0,0025–0,0030 дюйма прямо из коробки с поршнями из сплава 4032. Удар поршня не является проблемой для материала 4032, поскольку поршню не нужно «разогреваться», прежде чем он достигнет заданного зазора до отверстия цилиндра — он уже есть в зависимости от производственного процесса.

Каждый сплав имеет свои преимущества, предпочтение от которых зависит от области применения двигателя и его предполагаемого использования. — Крейг Ланкастер, Mahle Motorsports

Уменьшение долговременного износа очень привлекательно для многих энтузиастов; Поршни PowerPak также имеют полностью обработанную головку, высокопрочные, легкие стальные штифты и замки с круглой проволокой. Компания также поставляет поршни PowerPak с поршневыми кольцами с низким сопротивлением — 1,0 мм / 1,0 мм / 2,0 мм или 1,5 мм / 1,5 мм / 3,0 мм в большинстве комплектов, с кольцами размером 1/16, 1/16, 3/16 дюйма. входит в стандартную комплектацию поршневых комплектов с большим блоком.

Однако твердый состав сплава 4032 имеет свои ограничения и не идеален для всех применений. Недостаток пластичности — то есть его способность деформироваться под действием растягивающего напряжения — означает, что он менее терпителен в приложениях, где настройка является агрессивной, а уровень мощности чрезмерным. Не потому, что материал не выдерживает мощности, а потому, что он не предназначен для тех применений, где пластичность имеет первостепенное значение.

Сплав 2618 устраняет больше злоупотреблений

Оборотной стороной обсуждения является материал из сплава 2618, используемый в некоторых поршнях PowerPak и во всех поршнях PowerPak +, который является более щадящим в высокопроизводительных приложениях, где на регулярной основе встречаются экстремальные злоупотребления.Ковкость — ключевая особенность сплава 2618, так как он будет изгибаться и двигаться при экстремальных нагрузках, прежде чем достигнет точки разрушения.

МакФарланд объясняет: «Это придает сплаву 2618 большую устойчивость к ударным нагрузкам детонации. Компромисс заключается в том, что сплав размягчается гораздо быстрее, что позволяет поршню быстрее деформироваться. Это делает сплав 2618 наиболее подходящим для гонок в экстремальных условиях, когда двигатель будет обслуживаться по регулярному графику ».

В некоторых новых поршнях Mahle используются более тонкие кольца, чем в традиционных конструкциях – 1.Толщина 0 / 1,0 / 2,0 мм — обеспечивает низкое сопротивление и трение, не влияя на кольцевое уплотнение. У них есть дополнительное преимущество, заключающееся в том, что они остаются над отверстием под штифт в большинстве случаев применения.

В зависимости от предполагаемого применения, некоторые поршни PowerPak + 2618 также имеют боковые газовые порты, которые работают в сочетании с прецизионно обработанными кольцевыми канавками для обеспечения кольцевого уплотнения, в дополнение к жестким анодированным верхним кольцевым канавкам, которые помогают от детонации, которая часто происходит при высоких температурах. форсировать двигатели.

Специальное оборудование для производительности

Что интересно, помимо обсуждения материалов, группа инженеров Mahle сконструировала собственное оборудование там, где его не существовало, поскольку одним из ключей к обеспечению стабильной производительности является равномерное кольцевое уплотнение вокруг поршня в любых условиях.

«Плоская кольцевая канавка необходима для достижения и поддержания наилучшего возможного уплотнения. Качество кольцевых канавок настолько важно для максимальной производительности и долговечности, что Mahle спроектировала и построила оборудование, используемое для обработки кольцевых канавок для своих поршневых узлов Motorsport », — говорит Ланкастер.

Кроме того, компания также разработала собственную установку для нанесения покрытия на поршневые кольца, показанную выше. Покрытие из кермета наносится на этот пакет поршневых колец с помощью сверхзвуковой пушки, работающей на реактивном топливе, которая пропитывает керметный материал HV385 поверхность кольца.

Сплав 2618 требует большего зазора между поршнем и стенкой, чтобы учесть тепловое расширение материала; это приводит к вышеупомянутому удару поршня при холодном двигателе, но обеспечивает большую гибкость в настройке — поршень подвергнется значительно большему воздействию, прежде чем превратится в новейшую магазинную пепельницу.

Дополнительным преимуществом повышенной пластичности 2618 по сравнению с материалом 4032 является то, что он является излюбленным выбором производителей двигателей, которые не могут диктовать условия эксплуатации для любого из двигателей, которые они создают и выпускают на рынок.Сегодня, когда акцент делается на двигателях сумматора мощности, как в лазере, строители часто вынуждены предоставлять поршень, который действует почти как предохранитель, делая интервалы обслуживания короче, чем хотелось бы энтузиасту.

«Если двигатель будет использоваться в агрессивных гонках или с большими сумматорами мощности, применение будет извлекать выгоду из повышенной прочности и детонационной стойкости сплава 2618. Большинство двигателей, попадающих в эту категорию, являются приложениями, предназначенными только для соревнований, которые обслуживаются в рамках запланированного цикла восстановления, что снижает опасения по поводу долговечности », — говорит Ланкастер.

И PowerPak, и PowerPak + имеют фирменное покрытие Grafal на юбках (подробнее об этом ниже), чтобы уменьшить трение. Они также покрыты фосфатом — сухой смазкой, которая образует пленку в отверстиях под пальцы и кольцевые канавки, что способствует обкатке и снижает износ во время запуска.

Покрытие юбок

За последнее десятилетие все виды покрытий поршней нашли свое применение в промышленности. Компания Mahle, один из новаторов в этой области, применила покрытие Grafal для юбки поршней всех типов.Графал представляет собой фенольную формулу на основе смолы, пропитанную графитом для образования антифрикционного и противозадирного слоя на юбке поршня. Он устраняет прямой контакт металла с металлом между юбкой поршня и стенкой цилиндра, помогая снизить износ и шум.

(Слева) Покрытие Grafal для юбки Mahle — это пропитанное графитом покрытие, которое снижает сопротивление, задиры, трение и износ цилиндра, а также снижает шум поршня. (Справа) Этот поршень вышел из строя из-за перегрева и перенесенного материала на стенку цилиндра, как показано стрелкой.Это то, что происходит, когда поршень не может передавать чрезмерное тепло системе охлаждения, что приводит к недостаточному зазору и разложению масла.

«Одно из преимуществ Grafal заключается в том, что в неблагоприятных условиях он может использоваться для защиты поршня и стенки цилиндра, но он был разработан так, чтобы оставаться на поршне в течение всего срока службы детали. То же покрытие, которое мы наносим на наши стандартные поршни PowerPak, используется во всем ассортименте продукции: от легковых автомобилей OEM до дизельных двигателей HD с гарантией на миллион миль, вплоть до NASCAR и Formula 1 », — поясняет Ланкастер.

Какой материал выбрать?

Как упоминалось выше, каждый материал поршня на практике имеет свои преимущества и недостатки. Но грань предпочтения одного материала другому более расплывчата, чем можно было бы подумать. Эти дебаты всегда были интересными, и неформальный опрос различных друзей-энтузиастов показал, что каждый тип материала используется в двигателях V8 с малым и большим блоком.

«Хорошее практическое правило: если приложение сконфигурировано в первую очередь для уличного применения, сплав 4032 обеспечит снижение шума при запуске, повышенную износостойкость и долговечность.Если двигатель будет использоваться в агрессивных гонках или с большими сумматорами мощности, это приложение выиграет от повышенной прочности и детонационной стойкости сплава 2618 », — говорит Ланкастер.

Фактически, в своем двигателе Project Pony Jet в прошлом году компания EngineLabs использовала поршни Mahle PowerPak с запланированным использованием небольшого количества закиси азота, что показывает, что сплав 4032 приемлем даже при 200-кратном выстреле. хихикает, хотя для этого тестирования использовалось топливо с октановым числом 118, чтобы обеспечить погрешность.

«Каждый сплав имеет свои преимущества, предпочтение от которых зависит от области применения двигателя и его предполагаемого использования. Нет единого сплава, который лучше всего подходил бы для всех областей применения », — резюмирует Ланкастер.

Детали материала и эволюция технологии поршневых колец

Разъемное поршневое кольцо, обычно используемое сегодня, было впервые изобретено Джоном Рэмсботтомом в конце 1800-х годов. Его изобретение немедленно заменило кольца в стиле конопли, которые использовались в паровых двигателях, и представляет собой качественный скачок в производительности.Преимущества использования этого типа кольца в паровой машине были огромными с точки зрения мощности, эффективности и технического обслуживания.

Когда вы думаете о поршневых кольцах, задумывались ли вы когда-нибудь о том, что они являются самым маленьким компонентом двигателя внутреннего сгорания, но при этом несут наибольшую ответственность? Когда вы собираете двигатель, вы никогда не понимаете, что поршневое кольцо будет делать в течение его срока службы, что в действительности делает производительность этого крошечного компонента еще больше.

Поршневые кольца выполняют три основные задачи по обеспечению постоянной эффективной мощности двигателя.Прежде всего, кольцо должно эффективно герметизировать каждый цилиндр на протяжении тысяч, а иногда и сотен тысяч миль перед заменой. Когда воздушно-топливная смесь воспламеняется в каждом цилиндре, кольцо должно плотно прилегать к стенке цилиндра, чтобы взрыв мог толкнуть поршень в отверстие. Поршневое кольцо, которое на самом деле представляет собой сформированный кусок проволоки, также должно предотвращать попадание картерных газов в картер, сдерживая взрыв сгорания.

Во-вторых, кольцо помогает передавать тепло от поршня, вызванное взрывом, к стенкам цилиндра.Кольца являются единственным контактом между отверстием цилиндра и поршнем, и это единственный способ передачи тепла в систему охлаждения в процессе сгорания.

Этот узел поршня и штока был взят от Benz 1911 года выпуска (это было до того, как к нему подключился Mercedes). Обратите внимание на качество изготовления, такое как плавающая шпилька, спирально-навитые компрессионные кольца и канавки для смазки маслом в шейке штока. Это было точно и сложно, особенно если принять во внимание инструменты, которые были доступны более 100 лет назад.Подумайте, сколько человеко-часов ушло на сборку с использованием современных инструментов!

В-третьих, и это, пожалуй, самое главное, поршневое кольцо должно препятствовать попаданию моторного масла в камеру сгорания. Каждое отверстие цилиндра похоже на подшипник двигателя. Хонингованные царапины в отверстии создают карман для масла, которое задерживается, поэтому кольца будут смазываться, когда они вращаются и перемещаются вверх и вниз в цилиндре. Но все масло, которое разбрызгивается на стенки цилиндра из вращающегося узла, необходимо соскрести, чтобы предотвратить попадание масла в камеру сгорания, поскольку масло, которое попадает в камеру сгорания, может быть вредным для процесса сгорания, эффективно понижая октановое число транспортного средства. потенциально вызывая вредные последствия.

Благодаря магии исследований и разработок, а также благодаря усилиям по производству оригинальных комплектующих, поршневые кольца с каждым годом становятся все тоньше, но характеристики двигателя улучшаются. Это относится ко всем сферам применения, от специальных гоночных поршней до стандартных сменных поршней. Если поршневым кольцам предстоит такая огромная работа, то почему они становятся меньше? Могут ли возникнуть какие-либо побочные эффекты в будущем?

Наше кольцо Total Conform легко обнаружить благодаря радиальным выемкам на нем », — говорит Кейт Джонс из Total Seal.«Это позволяет кольцу полностью соответствовать друг другу за счет изгиба любой формы, необходимой для полного уплотнения между поршнем и стенкой цилиндра.

Обширные испытания показали, что кольца меньшей ширины оказались столь же эффективными, а может быть, и более эффективными, чем предыдущие более толстые версии. В основном это связано с различием в современном материале поршневого кольца по сравнению с более старыми, менее эффективными материалами. Кроме того, различия в конструкции и форме, а также отделка и покрытия, нанесенные на поверхность поршневых колец, помогают улучшить характеристики и снизить сопротивление.Эти изменения оказались более эффективными, обеспечивают большую мощность при меньшем выбросе воздуха и продлевают срок службы. Лучший способ понять, что происходит в мире поршневых колец, — это оглянуться назад и понять, откуда мы пришли. Благодаря участию Кейта Джонса из Total Seal, который также помог нам с фотографиями и диаграммами для этой статьи.

Выбор материала

Популярным материалом для изготовления поршневых колец является чугун, часто называемый серым чугуном.Самым большим преимуществом использования чугуна для изготовления поршневых колец является то, что он не истирает внутреннюю поверхность цилиндра и не истирает ее. И пока чугунное кольцо достаточного размера, оно будет обеспечивать надлежащее уплотнение. Если рабочие нагрузки увеличиваются или размер уменьшается в зависимости от области применения, кольцевое уплотнение может стать проблемой. Когда для верхнего кольца используется чугун, его обычно покрывают молибденом или хромом для предотвращения износа отверстия. Если для второго кольца используется чугун, покрытие не наносится.Материал чугуна очень хрупкий; Под микроскопом зернистая структура чугуна прямоугольная и острая. Вот почему, если вы попытаетесь скрутить чугунное кольцо, оно сломается, потому что зернистая структура легко разрушается. Чугун популярен, потому что его производство несколько рентабельно. Недостатком его использования является то, что для его завершения требуется несколько этапов производства — и он не идеален для высокопроизводительных двигателей.

Существует два основных метода изготовления чугунного кольца.Самый распространенный способ — взять поршневое кольцо желаемого внешнего диаметра и сформировать форму. Затем, когда чугун был сформирован внутри этой цилиндрической формы, центр формы вырезается по размеру внутреннего поршневого кольца. Например, после завершения процесса у вас будет что-то похожее на ствол пистолета. Затем каждое отдельное кольцо вырезается из формы, как кусок хлеба.

Современные высокотехнологичные методы производства поршней и покрытия требуют использования высокотехнологичных материалов для поршневых колец, чтобы дополнить улучшения рабочих характеристик, доступные за счет снижения сопротивления и улучшенного контроля масла.

Другой способ изготовления чугунных колец аналогичен способу изготовления модели легкового или грузового автомобиля. Когда вы открываете ящик модели автомобиля, вы обнаруживаете несколько листов пластика, на которых сформированы кусочки, которые вы выламываете из формы, чтобы извлечь части. Чугун разливают в форму, как и детали модели автомобиля, только в форме поршневых колец. По завершении процесса кольца вынимаются из формы и подвергаются окончательной механической обработке для использования. Хотя чугунные кольца могут быть доступными из-за стоимости материала, для их обработки и доработки требуется много ручной обработки.Кроме того, существует много отходов, которые необходимо перерабатывать после получения готового продукта.

Ковкий чугун — еще один материал, используемый при производстве поршневых колец; он существует уже несколько лет и до сих пор широко распространен. Процесс формовки поршневых колец из ковкого чугуна очень похож на процесс изготовления чугунных колец. Состав материала получается из чугуна путем извлечения углеродных чешуек, которые в основном состоят из графита, и формования этого материала в цилиндрическую форму для задания внешнего размера.Затем можно вырезать внутренний размер. Затем кольца можно вырезать из «ствола пистолета» и подвергнуть термообработке. Под микроскопом ковкий чугун имеет круглые зерна шаровидной формы, которые очень прочные, в отличие от структуры зерен чугуна. Если вы возьмете кольцо из ковкого чугуна и попытаетесь его сломать, вы обнаружите, что оно будет только сгибаться и скручиваться в форму кренделя. Ковкий чугун в два раза прочнее чугуна и используется в высокопроизводительных системах. Поскольку большинство дизельных двигателей имеют турбонаддув, кольца из ковкого чугуна обычно использовались из-за их устойчивости к отказу в условиях высокого сжатия и высокого рабочего давления в цилиндре.

Верхнее кольцо из ковкого чугуна дизельного двигателя называется «замковым кольцом». Кольцо трапецеидального камня напоминает боковой треугольник и также известно как самодействующее кольцо.

Движение поршня вверх и вниз поддерживает нагрузку на кольцо трапецеидального искажения в кольцевой канавке поршня и, как побочный продукт, также сохраняет канавку кольца чистой от сажи дизельного топлива. Однако кольцо для трапеции уникальной формы из ковкого чугуна сегодня обычно не используется. Поскольку использование рециркуляции выхлопных газов стало стандартом почти для всех двигателей внутреннего сгорания, при использовании этой формы углеродная набивка имеет тенденцию застревать кольцо в канавке поршня, вызывая поломку.

Если вы не знаете, из какого материала сделаны ваши кольца, не пытайтесь их согнуть. Самый простой способ проверить их — бросить на стол в магазине. Если кольцо издает звонкий звук, это ковкий чугун, а если оно просто стучит по столу, оно изготовлено из чугуна.

Чрезвычайно высокая температура и давление, создаваемые высокопроизводительным дизельным двигателем, могут прорезать верхнее кольцо и действовать как паяльная лампа на остальной части поршня.

Steel’s The Deal

Сегодня, особенно в высокопроизводительных и тяжелых условиях, сталь используется для изготовления поршневых колец.У стальных колец много преимуществ: они легче в производстве, прочнее и тверже, чем высокопрочный чугун, и устойчивы к поломке, особенно в тех случаях, когда требуются сумматоры мощности. Недостаток? Материалы дороже.

Здесь кольцо AP из нержавеющей стали превращается из сырья в рулонный продукт. Поскольку для поршневого кольца критически важно иметь надлежащее натяжение и сопротивление в цилиндре при установке в двигатель, процесс формования является наиболее важным этапом производства, чтобы гарантировать правильность этих характеристик в готовом продукте.

Процесс производства стальных поршневых колец прост; Проволока вырезается из катушки с материалом нужных пропорций. Нет отходов и меньше шагов от нарезки до конечного продукта. Возможно, лучшее в использовании стальных колец — это то, что они могут выдерживать большее тепловое воздействие в суровых условиях и при этом сохранять свою форму без сбоев. А в условиях высоких оборотов, низкого напряжения и высокого вакуума, таких как NHRA Pro Stock и других безнаддувных гоночных классах, стальные кольца обеспечивают гораздо лучшее кольцевое уплотнение.Внутренняя верхняя поверхность обычно имеет скос, который способствует скручиванию при срабатывании цилиндра. Тонкое верхнее кольцо прижимается к дну верхней канавки поршня, и давление газа прижимает кольцо к отверстию. Поскольку поверхность кольца имеет бочкообразную форму, при движении поршня по отверстию кольцо находится в постоянном контакте со стенкой цилиндра.

Современные поршневые кольца различной толщины обеспечивают превосходные характеристики по сравнению с пакетами колец прошлого. Здесь вы можете увидеть сравнение с обычным кольцом.

Детали стального кольца

Чтобы стальное кольцо было совместимо с отверстиями цилиндров из чугуна, оно должно быть покрыто молибденом, хромом, PVD (осаждение из паровой фазы) или газовым азотированием. На лицевую сторону кольца нанесены покрытия из молибдена. Moly обладает высокой устойчивостью к истиранию, но также является пористым, что обеспечивает некоторое удерживание масла.

Хром — очень твердое покрытие, используемое при высоких нагрузках и часто встречается в двигателях гоночных автомобилей. Хромированное покрытие может противостоять пропитке грязью и выводить мусор через выхлопное отверстие.Если бы вы использовали в этих случаях кольца с молибденовым покрытием, попадание грязи могло бы попасть на поверхность кольца из-за пористости, что привело бы к повреждению отверстия.

За последние несколько лет PVD-покрытие стало более популярным в качестве поверхности поршневых колец. PVD представляет собой тонкое покрытие, которое наносится на кольцо с использованием титана или хрома, испаренного при нагревании с химически активным газообразным азотом. Этот процесс сделает кольцо очень твердым, гладким и термостойким.

Наконец, газовое азотирование — это тепловой процесс, при котором кольцо пропитывается азотом, что приводит к его отверждению.В результате этого процесса поверхность затвердевает примерно на 0,001 дюйма в глубину; при использовании газового азотирования в отверстии цилиндра перед кольцом будут видны следы износа.

Вторые кольца переходят от чугуна к высокопрочному чугуну и стали. Поскольку второе кольцо соскабливает большую часть масла со стенок цилиндра, стальные кольца для второго положения имеют фаску на нижней стороне, чтобы вызвать скручивание. Когда поршень опускается по отверстию, поворот кольца позволяет конической поверхности соскребать масло со стенок цилиндра.

Обычные вторые кольца имеют форму RBT (коническая поверхность с обратной закруткой) или THG (канавка с крючком или Napier). В случае кольца RBT внутренний скос вызывает скручивание, которое предотвращает скопление масла за кольцом, в то время как коническая поверхность царапает отверстие. Конструкция THG будет иметь скручивание, вызванное не внутренней фаской, а крючком на лицевой стороне кольца, когда оно контактирует с отверстием. Это также предотвращает скопление масла за вторым кольцом и используется в основном для повышения производительности.

Кольца Napier, в которых используется конструкция с крючками, также являются обычным явлением для второй позиции.Крючок удерживает масло во время соскабливания, что позволяет использовать масляные кольца с низким натяжением в этих ситуациях. Вторые кольца из стали или высокопрочного чугуна не имеют покрытия, поскольку исследования показали, что вторые кольца с покрытием не имеют преимуществ по сравнению с кольцами без покрытия, поскольку царапающее действие, используемое для удаления масла, обеспечивает их хорошую смазку.

Хотя многие люди называют второе кольцо компрессионным, мы можем видеть здесь, что оно имеет гораздо большее отношение к контролю масла, чем к сдерживанию сжатия.

Советы по быстрой сборке

Если вы собираете двигатель и используете стальные кольца, обязательно измерьте свободный зазор поршневого кольца. Свободный зазор измеряется, когда вы достаете кольца из коробки и кладете их на стол. Например, зазор в поршневом кольце, лежащем на столе, составит 0,600 дюйма. Вы устанавливаете поршневое кольцо в двигатель, и теперь зазор составляет 0,020 дюйма для вашего приложения. При освежении свободный промежуток теперь измеряется.500 дюймов, что будет считаться нормальным после того, как двигатель прошел термоцикл на соревнованиях. Но если размер свободного зазора составляет 0,100 дюйма, то что-то не так с соотношением воздух / топливо или моментом зажигания, потому что кольцо теряет прочность на разрыв и деформируется из-за слишком большого количества тепла.

При опиливании колец оставьте их как можно более квадратными. Чрезмерное снятие фаски может быть столь же вредным, как и слишком большой зазор.

Еще один совет — как можно меньше снимать заусенцы и фаски при установке поршневых колец напильником.Кроме того, оставьте края как можно более квадратными, чтобы обеспечить лучшее кольцевое уплотнение. Следуйте рекомендациям производителя по правильной технике хонингования. Правильная отделка отверстия цилиндра обеспечит правильное удержание масла для смазки используемого материала колец.

Заключение

Использование набора поршневых колец, который тоньше, чем вы когда-либо думали, — это простой способ высвободить мощность вашего высокопроизводительного двигателя. Эффект «просачивания вниз» со стороны текущих OEM-технологий в данном конкретном случае оказался выигрышным.Эти конструкции колец не ухудшают рабочие характеристики; при надлежащих процедурах обкатки можно ожидать, что они продержатся многие тысячи миль в уличном применении без вредных побочных эффектов, хотя мы не можем обещать того же, если вы наносите им пару комплектов закиси азота каждую неделю в ваших субботних ночных поездках в Мексику.

Руководство для покупателей

по выбору лучших деталей поршня

Он поднимается, сжимает сильный взрыв и опускается. Работа поршня достаточно проста для понимания, но если вы посмотрите, что от него требуется, вы можете удивиться, что он вообще работает.Подумайте об этом — при 6500 оборотах в минуту поршень перемещается вверх и вниз по каналу 108 раз в секунду, полностью останавливаясь дважды за каждую поездку. Поршень в двигателе 440 при этих оборотах достигает скорости 6627 футов в минуту к тому моменту, когда кривошип поворачивается на 76 градусов после ВМТ. Это от 0 до 75 миль в час всего за 1,66 дюйма от ВМТ; сравните это с вашим 60-футовым временем. С увеличением числа оборотов или хода цифры становятся злее, поэтому стоит серьезно отнестись к выбору поршня, если вы серьезно относитесь к надежной работе.

Cast vs.Кованый Одно из первых различий в способе изготовления поршня — литой он или кованый. Мы все слышали, что эти термины применяются к поршням, но в чем разница? Фактически, разница заключается в способе создания заготовки поршня. В процессе литья расплавленный алюминий формуют в форме по общей форме поршня. Литье имеет ряд преимуществ с производственной точки зрения. Могут соблюдаться строгие допуски в отношении качества конечной обработки поршня. Это сводит к минимуму затраты на окончательную обработку и позволяет изготавливать более легкий поршень с меньшими усилиями, чем при ковке.Литые поршни обладают отличными износостойкими и термическими характеристиками, что обеспечивает длительный срок службы кольца и юбки, а также малые рабочие зазоры для бесшумной работы. Главный недостаток — литой алюминий имеет ограниченную пластичность. Другими словами, перенапряженный литой поршень внезапно и разрушительно сломается при выходе из строя.

Посмотреть все 13 фото

Поковки, с другой стороны, имеют металлургические характеристики, отличные от литых алюминиевых поршней. Заготовки для кованых поршней изготавливаются из заготовки твердого алюминия под экстремальным давлением в ковочном прессе.Алюминий вдавливается в тяжелые ковочные красители, чтобы получить грубую форму поршня, образуя заготовку поршня. В отличие от литого поршня, кованая деталь дает более плотный и пластичный материал. Матрица для ковки поршня должна быть спроектирована так, чтобы можно было разделить две половины матрицы и удалить заготовку поршня. Это исключает возможность создания поднутрений в необработанной поковке. В результате кованая заготовка поршня требует значительной механической обработки для создания современного легкого кованого гоночного поршня, который мы привыкли видеть.Кованый поршень по своей природе более прочен и более прощающий, когда его пределы превышены, обычно искажая, а не гранулируя.

Рабочие характеристики кованых и литых поршней значительно различаются в зависимости от материала и процессов, используемых при их производстве. Не все литые поршни одинаковы, и то же самое можно сказать о кованых поршнях. Как правило, производитель учитывает предполагаемое применение поршня при определении проектных характеристик.При принятии решения о том, подходит ли определенный тип поршня для конкретного применения, стоит следовать их рекомендациям.

Типы и материалы литых поршней Производители оригинальных комплектующих оснащали свои серийные двигатели литыми поршнями, за исключением нескольких специальных высокопроизводительных двигателей или заводских гоночных машин. Экономическая экономия на инструментальной оснастке для больших партий деталей, желаемые характеристики малых зазоров юбки для бесшумной работы и присущая силиконовому алюминиевому сплаву износостойкость — все это отвечает требованиям производителей оригинального оборудования.Двигатели OE Mopar, как правило, оснащались литыми поршнями со стальными стойками, залитыми в области пальца для ограничения расширения и создания очень малых зазоров. Поршни OE Mopar были относительно тяжелыми, но были сконструированы таким образом, чтобы обеспечить долговечность при эксплуатации. Насколько далеко можно продвинуть стандартные поршни Mopar? Как и все остальное, они хороши до тех пор, пока не наступит день перерыва, и время перерыва зависит от удачи розыгрыша. Разумным пределом было бы поддерживать мощность менее 1 л.с. на кубический дюйм и менее 6000 об / мин.Мы знаем, что ребятам сошло с рук гораздо больше, и мы сами значительно расширили эти пределы, но это авантюра.

Выбор литых поршней на вторичном рынке начинается с недорогих заменяемых оригинальных поршней. Эти нижние части обычно представляют собой образцы для прямой замены и обычно подбираются по весу близко к штатным поршням, поэтому двигателю не потребуется настраиваемая балансировка во время восстановления. Компоновка литого поршня обычно не рассчитана на использование с высокими эксплуатационными характеристиками. Не будут обнаружены такие особенности, как выемки клапана для зазора с высокопроизводительными кулачками, адекватная высота сжатия для более высокой степени сжатия или эффективный зазор закалки.В каталогах оригинальных запасных поршней вы найдете множество тарельчатых поршней с низким уровнем сжатия без выемок для клапанов или поршней, которые сидят глубоко в отверстии в ВМТ. Еще вы обнаружите, что прочность и надежность зачастую намного ниже заводских, установленных в вашем двигателе Mopar, и обычно это урок, усвоенный на горьком опыте. При создании высокопроизводительного двигателя эти типы поршней почти всегда являются рискованной покупкой.

Значительным шагом вперед являются литые заэвтектические поршни.Гиперэвтектика получила свое название от алюминиевого сплава, используемого в производстве. Литые поршневые сплавы содержат силикон в качестве ключевого легирующего элемента, который повышает износостойкость, долговечность и термические характеристики алюминия. Существует предел того, сколько силикона может быть добавлено в алюминий и все еще впитано в структуру металла. Этот уровень, называемый точкой эвтектики, составляет около 12 процентов. Литые поршни оригинального производителя обычно легированы не более чем 9% силикона, который полностью растворяется в основном алюминии.Сверхэвтектические поршни повышают уровень силикона выше того количества, которое может быть сплавлено с металлом, и отсюда происходит забавное название: гипер, что означает «выше или выше»; и эвтектика, максимальный уровень силикона, который может быть полностью легирован основным металлом. Сверхэвтектический силикон-алюминий будет содержать 16-18 процентов силикона в сплаве и будет содержать свободный силикон в своей структуре. Заэвтектический сплав, используемый для поршней, был разработан путем тщательного контроля процесса для получения оптимального размера зерна и распределения свободного силикона в алюминии.

Просмотреть все 13 фотографий

Хотя поршни из заэвтектического сплава по-прежнему считаются литыми поршнями, этот материал обладает рядом преимуществ по сравнению с обычными поршневыми сплавами. Заэвтектические сплавы улучшают термические характеристики, смазывающую способность, сопротивление истиранию, коррозионную стойкость, твердость, характеристики расширения и жаропрочность. Есть причина рекомендовать заэвтектические поршни; однако пластичность материала далека от ковки, и в этом заключается самый большой недостаток.Выведенные за их пределы, они сломаются так же, как и обычный литой поршень. Keith Black Silvolite и Federal Mogul / Speed ​​Pro являются основными игроками на рынке заэвтектических поршней, и мы безошибочно использовали обе марки в сборках высокопроизводительных двигателей.

Кованые поршни Хотя практически все двигатели Mopar оснащались на заводе литыми поршнями, кованые поршни были и остаются предпочтительной заменой при создании двигателя с высокими рабочими характеристиками. Есть несколько уровней кованых поршней, от запасных частей до экзотических гоночных моделей.В течение многих лет самой популярной заменой поршней была линейка Speed ​​Pro PowerForged от Federal Mogul, которую старожилы помнят как TRW. Эти поршни были разработаны как долговечные заменяемые детали, в которых использовалась внутренняя сила поковки. Чтобы создать настоящую замену, эти поршни соответствовали по весу поршням оригинального производителя, что исключало необходимость индивидуальной балансировки двигателя. Эти поршни сконфигурированы в соответствии со стандартными спецификациями, поэтому их конструкция соответствует оригинальному оборудованию с точки зрения высоты сжатия, выемок клапана (если есть) и тарелки.

Посмотреть все 13 фотографий Поршни Keith Black обладают множеством инновационных функций, например, срезанной кромкой на предохранительном клапане. Компания KB называет это «канавкой аттенюатора», предназначенной для устранения потенциального перегрева острого выступа на краю предохранительного клапана. Мини-канавки на верхней кольцевой площадке помогают отводить тепло; Утверждается, что в сочетании с пересмотренной щелью верхней площадки зазор резко снизил вероятность перегрева верхнего кольца и выхода из строя контакта контакта верхнего кольца.

В то время как характеристики расширения кованого поршня обычно диктуют увеличенный зазор от стенки цилиндра, в сменных поршнях Speed ​​Pro используются канавки для возврата масла с прорезями в пазах маслосъемных колец. Прорези значительно сокращают путь теплопередачи от головки поршня к юбке, обеспечивая при этом большую гибкость юбки. Этот ход обеспечивает небольшой зазор между поршнем и стенкой за счет общей прочности. С заменой линейки Speed ​​Pro вы получаете более сильный поршень, который опускается вместо штабеля.В их гоночной линии поршней с высокой степенью сжатия, основанных на тех же поковках, возврат масла с прорезями заменен просверленными отверстиями, что значительно увеличивает прочность поршня, но требует большего зазора в отверстии.

С производственной точки зрения процесс ковки превращает производство специализированных поршней в меньшие партии. Это к счастью, поскольку это позволяет процветать индустрии гоночных поршней, изготовленных по индивидуальному заказу. Кованые поршни современного спортсмена и гоночные поршни далеки от тяжелых литых патронов, используемых производителями оригинального оборудования.Более легкий поршень создает меньшую нагрузку на шатуны и кривошип и, в свою очередь, позволяет использовать более легкий противовес на коленчатом валу и более быстрый и надежный двигатель. Помимо поршней для двигателей стандартной конфигурации, поршни штокера доступны для многих комбинаций кривошипов, изготовленных по индивидуальному заказу. Нередко в современном кованом поршне можно найти особенности, которые можно было найти только в области изготовленных на заказ гоночных поршней несколько лет назад. Современные поршни с плоским верхом обычно производятся с установкой высоты сжатия, чтобы сделать высоту установки с нулевым уровнем деки легко достижимой без чрезмерного настила блока.Положения для плавающей фиксации поршневого пальца, глубоких пазов клапана, уменьшенного диаметра поршневого пальца, более узких пакетов колец, полых куполов, реверсивных куполов дефлектора и многое другое можно найти в стандартных поршнях многих производителей, доступных сегодня. Единственным недостатком является то, что эти современные, легкие конструкции поршней требуют индивидуальной балансировки как часть конструкции двигателя, но это должно быть частью любой сборки высокопроизводительного двигателя, учитывая грубые заводские допуски на балансировку производства.

Посмотреть все 13 фотографий

Материалы кованых поршней Мы уже обсуждали некоторые характеристики силиконовых сплавов в литых алюминиевых поршнях, а также некоторые различные сплавы, используемые в конструкции кованых поршней.Наиболее распространенные сплавы, предлагаемые основными производителями кованых поршней, — это 2618, алюминий с низким содержанием силикона, и сплав 4032, содержащий примерно 11 процентов силикона. Дополнительный силикон придает кованым поршням некоторые из характеристик, которые обсуждались в отношении литых поршней. Сплав 4032 более жесткий, имеет меньшую теплопроводность и расширение, а также большую износостойкость. Этот сплав часто выбирают для использования на улицах и полосах, поскольку его выбирают из-за более узкого зазора между поршнем и стенкой, достигаемого за счет более низкой скорости расширения, а также более длительного срока службы юбки и посадочного контакта, обеспечиваемого большей износостойкостью силиконового сплава.

Напротив, 2618 — это сплав с низким содержанием силикона, и, хотя он лишен преимуществ, полученных от силикона, он является лучшим материалом поршня в тяжелых условиях эксплуатации. Сплав с низким содержанием силикона имеет более высокую плотность и предел прочности на разрыв, чем 4032, и гораздо большую пластичность и сопротивление разрушению. Поршень 2618 можно растолочь в крендель, но он не расколется на куски. Высокая теплопроводность алюминия с низким содержанием силикона будет передавать больше тепла юбкам. В сочетании с более высокой степенью расширения материала поршням 2618 обычно требуется значительно больший зазор в отверстии.Поршень 2618 из-за отсутствия высокого содержания силикона более подвержен износу на кольцевых площадках и юбках.

Посмотреть все 13 фотоПокрытие по индивидуальному заказу может изменить характеристики теплопередачи поршней. Эти кованые гоночные поршни 2618 обычно проводят большое количество тепла, но термобарьерное покрытие на головке поршня призвано значительно уменьшить теплопередачу. Также обратите внимание на молибденовое покрытие, нанесенное на юбку, чтобы свести к минимуму возможность истирания.

Это гоночные поршни, а не пули, которые можно поставить в грузовик, который должен проехать более 100 000 миль.Если план требует серьезной закиси азота, наддува или оборотов, а пуленепробиваемость — это то, что вам нужно, поршень 2618 — правильный выбор. Современные технологии обработки и проектирования улучшили поршень 2618, позволив использовать более сложные конструкции юбок. Производители, воспользовавшись этими достижениями, смогли значительно уменьшить зазор в отверстии по сравнению с традиционными требованиями.

Соображения по поводу Stroker Создание комбинаций штрихов Mopar никогда не было так популярно, и почему бы и нет? С появлением недорогих коленчатых валов дверь в мир малых блоков была распахнута настежь, в то время как в лагере больших блоков популярные комбинации включают проверенный и надежный 451, который использует кривошип 440 в 400 low-деке. .Другие комбинации поддерживаются легко доступными комбинациями кривошипов вторичного рынка. Еще одним фактором, способствующим этому, является постоянно улучшающееся положение с головкой блока цилиндров. Послепродажный рынок предлагает много, чтобы накормить все эти лишние кубики и сделать перспективу создания комбо-строкера. В отличие от некоторых конкурирующих конструкций двигателей, блоки Mopar были наделены внушительными размерами деки цилиндра. Чтобы заполнить это пространство, двигатели Mopar были оснащены относительно длинными шатунами и высокими поршнями. Расстояние от центральной линии запястья поршня до верхней части поршня называется высотой сжатия.

Посмотреть все 13 фото

В двигателях Mopar предусмотрена чрезмерная высота сжатия, из-за чего поршни тяжелее, чем они должны быть. В комбинации с ходовым механизмом добавленный ход толкает поршень выше по отверстию — ровно на половину расстояния увеличения хода. Для компенсации высота сжатия поршня уменьшается на соответствующую величину. В некоторых двигателях просто недостаточно места для сокращения высоты сжатия без того, чтобы поршневой палец не попал в область масляного кольца поршня.Фактически, Chevrolet использовала более короткий шатун в своем производстве длинноходный малый блок 400, что усугубило и без того плохое передаточное число. Не стоит беспокоиться о том, чтобы не найти место в двигателе Mopar. Перенесите большой или малый блок Mopar, и масса поршня значительно уменьшится. Когда-то доступные только через специально заказанные индивидуальные поршни, широкий ассортимент поршневых поршней теперь входит в каталоги таких компаний, как Diamond, Probe, JE, CP, Arias, Ross, Wiseco, KB и других.

Право на покупку При таком большом количестве поршней на выбор довольно сложно сузить круг выбора и выбрать подходящую деталь.На самом деле, следует учитывать два фактора: приложение по сравнению с долларом. Имея выбор, мы не можем придумать причины, кроме цены, кто-то предпочел бы заменяющий поршень литым современным заэвтектическим или кованым. Но, опять же, важно рассмотреть всю картину в целом. Если целью является экономичный ремонт двигателя с низкой частотой вращения, низким уровнем сжатия и мощностью, эти дешевые отливки подойдут. С другой стороны, если вы хотите увеличить мощность, но бюджет сборки ограничен, эти 360 поршневые литые заменяющие поршни стоят очень дешево, но низкая степень сжатия приведет к снижению производительности и эффективности.За пару сотен сэкономленных долларов вы застряли со сжатием 8: 1, а эффективность сгорания снизилась из-за слишком большой площади гашения. Кроме того, у вас будет потенциальная бомба замедленного действия, если эта штука когда-нибудь действительно вырабатывает реальную мощность или вращается на более высоких оборотах. Некоторые ребята будут костылять дешевый поршень с низкой степенью сжатия с массивной фрезеровкой головки, которая получит некоторое передаточное число. Однако теперь толкатели стали слишком длинными, впускной канал не поместится без дополнительной фрезерования на впускной поверхности, а зазор между клапаном и поршнем, которого и так не хватало и без зазубрин, уменьшился на измельченную величину.Сложите расходы и разочарование, и этот подход не имеет смысла.

Посмотреть все 13 фотографий Spiro Lox — самый распространенный тип фиксатора штифта, который используется в высокопроизводительных поршнях, обычно сгруппированный по два на каждом конце. Их установка требует некоторой практики, а снять их может быть сложно. Некоторые поршни могут быть приобретены с выемками для снятия замков, которые позволяют легче извлекать замки.

Реалистичные ожидания относительно предполагаемого использования и целей — ключ к правильной покупке. Другая крайность может быть такой же расточительной.Если целью является восстановление мертвого запаса в приложении для восстановления, нет необходимости в чрезмерно хитром поршне. Заменяемого типа Speed ​​Pro или Hypereutectic более чем достаточно для работы на небольшой уличной мельнице, с надежностью, намного превышающей стандартную. Если мы поднимемся по лестнице на более серьезный уличный / полосовой завод, современная легкая поковка начнет окупаться уменьшенной внутренней нагрузкой на высоких оборотах и ​​меньшим весом боба для более отзывчивого двигателя. Большинство этих поршней рассчитаны на использование более узких 11/416-дюймовых компрессионных колец, в отличие от стандартных 51/464-дюймовых деталей, что снижает трение о стенку цилиндра при покупке.

На уровне гонок решение о покупке включает в себя более конкретные знания о двигателе при выборе каталожной гонки или нестандартного поршня. Здесь нам может потребоваться рассмотреть конфигурацию купола поршня, чтобы соответствовать головке блока цилиндров; нестандартные диаметры поршневых пальцев; удержание штифта; расположение и глубина выемки клапана; высота сжатия; положения по смазке булавок; размещение и спецификация кольцевой канавки; газопровод; и / или индивидуальные варианты освещения. Список возможностей можно продолжать и продолжать, но, к счастью, у компаний, производящих эти высококлассные гоночные поршни, есть технические представители, которые помогут в процессе выбора.

Сужение выбора поршней — Mopar Muscle Magazine

Вы достигли той точки в своем проекте, когда пора приступить к созданию двигателя для вашего автомобиля. Вы смотрите в Интернете, чтобы узнать, какие поршни и комплекты для восстановления доступны, но первое, что вы обнаружите, это то, что есть много вариантов, когда дело доходит до поршней. Решение может быть непростым, и, вероятно, именно поэтому мы получаем множество читателей, которые пишут нам, спрашивая, какие поршни им следует использовать в своих двигателях.Поскольку вы, ребята, спросили, мы решили составить эту статью о выборе поршня и о том, как выбрать то, что подходит для вашего индивидуального применения. У нас нет способа определить, какой поршень, по вашему мнению, будет лучшим, но следует помнить об одном: выбранный вами поршень подвергается сильным взрывам, чрезвычайно высоким температурам и, если ваш двигатель работает неправильно, ситуации, похожие на удар кувалдой по поршню.

Автомобильные поршни — это необычный дизайн.В течение нескольких секунд они подвергаются воздействию температур, достигающих более 1000 градусов во время сгорания, только для того, чтобы немедленно подвергаться потоку холодного воздуха при каждом такте впуска. Они развивают скорость около 7000 об / мин и должны выдерживать боковые нагрузки, которые пытаются протолкнуть его через стенку цилиндра. Сказать, что поршень используется не по назначению, значит ничего не сказать. Итак, как они выживают? Если они используются в неправильном приложении, они этого не делают. Возьмем, к примеру, если вы устанавливаете стандартный литой поршень в приложение, в котором давление в цилиндре будет выше, чем в стандартном, из-за турбонагнетателя, нагнетателя или закиси азота.Вы можете быть уверены, что внутреннее устройство вашего двигателя станет внешним. Но почему? Чтобы полностью понять, нам нужно объяснить, что представляют собой разные поршни и когда лучше использовать какой из них.

Одним из важных факторов, которые следует учитывать при выборе поршня, является баланс между прочностью и ценой. Прежде чем вы сможете решить, какой тип поршня нужен вашему двигателю, вам необходимо знать, какую мощность вы планируете производить, прежде чем покупать поршни. Очевидно, что чем больше мощности вы вложите в двигатель, тем дороже будет стоить требуемый поршень.То, как вы решите создать эту силу, также является огромным фактором. Вы будете использовать закись азота? Может быть, в вашем будущем воздуходувка. Это все аспекты, которые необходимо учитывать.

Литой против гиперэвтектического против кованого

Посмотреть все 7 фотографий

Два самых популярных способа изготовления поршня: литье или ковка. Мы все слышали, что эти обозначения применяются к поршням, но что это значит — в чем разница? Разница заключается в способе изготовления поршня.Литой поршень построен так же, как и назван. В процессе литья расплавленный алюминиевый сплав заливается в форму, которая при охлаждении после заполнения приводит к получению поршневой «заготовки». При изготовлении литье поршня имеет несколько преимуществ перед ковкой. Инструменты для литья обычно предназначены для производства отливок, близких к сетке. Такая форма, близкая к конечной, сводит к минимуму требуемую чистовую обработку и снижает ее стоимость. Литые поршни также обладают отличными износостойкими и термическими характеристиками. Это обеспечивает долгий срок службы кольцевых опор и юбок, а также возможность сохранять более узкие зазоры между боковыми стенками для бесшумной работы.Основным недостатком работы литых поршней является то, что литой алюминий имеет ограниченную пластичность. Пластичность — это способность твердого материала деформироваться под действием растягивающего напряжения. Это означает, что литой поршень, подверженный чрезмерным нагрузкам, может выйти из строя быстрее.

Когда дело доходит до выбора литых поршней на вторичном рынке, выбор начинается с того, что мы будем называть недорогими сменными поршнями. Эти поршни считаются заменой и обычно сбалансированы по весу, близкому к весу стандартных поршней.Это сделано для того, чтобы «теоретически» балансировка при перестройке не требовалась. Если вы создаете двигатель, основанный на характеристиках, эти поршни не для вас. С поршнями в стиле оригинальной замены вы можете забыть о таких функциях, как выемки в клапанах для зазора для работы кулачков, превышающих стандартные. Также будет трудно получить адекватную высоту сжатия для создания какой-либо разумной степени сжатия. Если строить с надеждой на получение высокопроизводительного двигателя, эти поршни почти всегда являются рискованной покупкой.Но если вы создаете двигатель с низкой частотой вращения, работающий на каждый день, это может быть именно то, что вам нужно.

Вариант, который многие считают немного более эффективным с точки зрения производительности, чем литые поршни, является заэвтектичным. Слово «заэвтектика» получило свое название от алюминиевого сплава, используемого в производственном процессе. В то время как в литых поршневых сплавах используется кремний, который увеличивает износостойкость, долговечность и тепловые характеристики алюминия, существует предел того, сколько кремния можно использовать, чтобы он равномерно распределялся без больших узлов образования кремния.Этот уровень, который называется точкой эвтектики, составляет около 12 процентов. Гиперэвтектика означает повышение этого уровня кремния за пределы нормального количества, которое можно просто смешать с металлом. В сверхэвтектическом алюминии обычно содержится от 16 до 18 процентов кремния в сплаве. Хотя заэвтектические поршни по-прежнему представляют собой литые поршни, добавление этого дополнительного силиконового материала дает несколько преимуществ по сравнению с обычными литыми поршнями. Во-первых, поршень по своей сути более прочный, с улучшенными тепловыми характеристиками, смазывающими свойствами и устойчивостью к истиранию.Он также более устойчив к коррозии, имеет более контролируемые характеристики расширения и лучшую жаропрочность. Несмотря на то, что они прочнее, чем обычный литой поршень, при выходе за пределы их жизнеспособности они ломаются так же, как и обычный литой поршень. Литые и заэвтектические поршни идеально подходят для двигателей, которые часто используются на улицах с очень редким выездом на драгстрип по выходным. При добавлении сумматора мощности, такого как закись азота, турбонагнетатель или нагнетатель, мы рекомендуем избегать использования литого или заэвтектического поршня.

Посмотреть все 7 фотографий

Кованые поршни всегда считались усовершенствованием литых и заэвтектических поршней. Они по своей сути имеют металлургические характеристики, которые отличаются от их литых аналогов. Причина этого в том, что вместо плавления и заливки в форму заготовки для кованых поршней создаются из заготовки из экструдированного алюминиевого сплава. Эта заготовка подвергается очень экстремальному давлению, так как сплав сжимается в тяжелые штампы для ковки, которые создают грубую форму поршня — заготовки поршня.В результате этого процесса ковки поршень становится более плотным и пластичным. Но поскольку матрица состоит из двух зеркальных половин, это исключает возможность проектирования внутренней области в необработанной поковке. Из-за этого заготовка из кованого поршня требует гораздо большей механической обработки, чтобы создать настоящий поршень. Но этот более плотный и пластичный материал означает, что кованый поршень по своей природе более прочен и более терпим, когда его пределы превышаются.

Еще одно решение, которое следует учитывать, заключается в том, что в кованых поршнях используются различные сплавы.Наиболее распространены сплавы 2618 (алюминий с низким содержанием кремния) и 4032 (сплав с содержанием кремния около 11 процентов). Сплав 4032 является более жестким материалом, имеет меньшую теплопроводность и скорость расширения. Он также обладает отличной износостойкостью. 4032 обычно является предпочтительным сплавом для использования на улицах и полосах. Он выбран из-за возможности меньшего зазора между поршнем и стенкой, достигнутого за счет более низкой скорости расширения. Еще одним преимуществом является более длительный срок службы юбки и кольцевого ремня, обеспечиваемый большей износостойкостью сплава с более высоким содержанием кремния.

Сплав 2618 имеет низкое содержание кремния. Несмотря на то, что он отказывается от некоторых преимуществ, полученных от кремния, он обычно считается лучшим материалом поршня для жестких гонок. Сплав с низким содержанием кремния имеет более высокую плотность и предел прочности на разрыв, чем 4032, и имеет гораздо большую пластичность и сопротивление разрушению. Поршень из сплава 2618 можно разбить до плоского состояния. Высокий коэффициент теплопроводности сплава 2618 позволит передавать больше тепла юбкам.Имейте в виду, что более высокая скорость расширения этого материала обычно означает значительно больший зазор в отверстии (между поршнем и боковой стенкой). Поршень 2618 более подвержен износу в контактных площадках и юбках колец. Поршни из сплава 2618 предназначены для использования в качестве гоночных поршней. Не устанавливайте их в свой автомобиль или грузовик и рассчитывайте проехать более 100 000 миль. Если план требует серьезной закиси азота, наддува или оборотов, а пуленепробиваемость — это то, что вам нужно, поршень 2618 — правильный выбор. Современные технологии обработки и проектирования привели к появлению более сложных конструкций юбок.Производители, воспользовавшись этими достижениями, смогли значительно уменьшить зазор в отверстии по сравнению с традиционными требованиями.

Посмотреть все 7 фотографий

Зазор между поршнем и цилиндром

Независимо от того, какой поршень вы выберете, зазор между поршнем и стенкой цилиндра является основным фактором при установке поршней на цилиндры. Рабочие характеристики кованых и литых поршней значительно различаются в зависимости от материала и процессов, используемых при их производстве.Это означает, что не все литые поршни одинаковы. То же можно сказать и о кованых поршнях. При принятии решения о том, подходит ли определенный тип поршня для конкретного применения, стоит поговорить с производителем. Кованые поршни рекомендуются всякий раз, когда ожидаются высокие обороты, увеличивается степень сжатия и используются сумматоры мощности. Юбка разной толщины расширяется с разной скоростью даже в пределах одной конструкции поршня. Другие аспекты, которые будут влиять на степень расширения поршня, — это длина юбки поршня, толщина кольцевого ремня (область между верхней частью поршня и пальцем кисти) и характеристики охлаждения двигателя.Все производители предоставляют номинальный зазор между поршнем и стенкой, который, по их мнению, должен соблюдаться. В большинстве случаев производитель обрабатывает диаметр поршня с учетом зазора для данного диаметра отверстия. Поршень диаметром 4,030 дюйма вышел бы из коробки с диаметром 4,026 дюйма, если бы рекомендуемый зазор составлял 0,004 дюйма.

Рассматривая сплавы и скорость их теплового расширения, помните, что у всех металлов есть пороговые значения. Хотя все поршни будут расширяться с заданной скоростью, существуют также достижимые температуры, которых они могут достичь, что заставит их не следовать заданной «стандартной» скорости расширения.Поршни будут реагировать по-разному из-за разной массы, толщины и теплового воздействия. Хотя невооруженным глазом это не заметно, у большинства поршней нет «плоской» боковой стенки. Поршни имеют так называемую форму кулачка или профиль. Форма кулачка — это конструкция юбки, которая делает ее продолговатой в месте, где она скользит по стенке цилиндра. Если у вас более длинная юбка, она сделает вашу кулачковую форму длиннее или короче в зависимости от используемого масштаба. По этой причине крайне важно соблюдать рекомендации производителя относительно зазоров.

Покрытие поршня может помочь решить проблемы износа, нагрева, трения и коррозии. Некоторые эксплуатационные покрытия включают керамические термобарьеры, смазочные материалы с сухой пленкой, керамические покрытия выхлопных газов, маслоотталкивающие покрытия и некоторые другие покрытия для улучшения рабочих характеристик и / или долговечности деталей с высокими эксплуатационными характеристиками.

Посмотреть все 7 фотографий

Поршни могут быть покрыты тремя различными типами покрытий: смазочными материалами с сухой пленкой, термобарьерами и маслосъемными покрытиями. Термобарьерные покрытия помогают защитить верхнюю часть поршня от повреждения теплопередачей, сводя к минимуму количество тепла, удерживаемого на поверхности поршня.Это покрытие также позволяет теплу на поверхности более равномерно перемещаться по поверхности, уменьшая горячие точки или ровные участки, отражающие тепло в камеру, для более эффективного сгорания топлива и меньшего теплового расширения за счет уменьшения поглощаемого тепла. На юбку поршня обычно наносят покрытие из сухой пленки. Эта сухая пленка поможет снизить трение, а также предотвратит истирание во время первоначальной обкатки. На нижнюю часть поршня может быть нанесено масляное покрытие. Это покрытие отталкивает масло быстрее, чем необработанная деталь.

Определить степень сжатия

Вы не можете построить двигатель, не принимая во внимание степень сжатия. Затем вам нужно будет определить, какие поршни сжатия лучше всего подходят для ваших целей. В этом разделе давайте удалим аспект «литье против заэвтектического против кованого» и сосредоточимся только на использовании. Общее практическое правило заключается в том, что вы можете использовать более высокую степень сжатия для двигателей без наддува, а при добавлении сумматоров мощности, таких как турбонагнетатель или нагнетатель, вам потребуется более низкая степень сжатия.

Популярные степени сжатия для безнаддувных автомобилей составляют от 9,5: 1 и выше. Опять же, более высокая степень сжатия сделает двигатель более отзывчивым и мощным, но он также более подвержен проблемам детонации, если настройка не точна. Кроме того, для предотвращения детонации обычно требуется газ с более высоким октановым числом при переходе к поршням с более высоким сжатием. Популярные степени сжатия для приложений с турбонаддувом и наддувом варьируются от 8,0: 1 до 9,5: 1. Чем выше степень сжатия, тем лучше должна быть ваша настройка, чтобы двигатель не взорвался.

Прежде чем выбирать поршни, вы должны знать желаемую высоту сжатия указанного поршня, чтобы вы могли определить фактическую степень сжатия для двигателя. Высота сжатия — это расстояние между центральной линией отверстия под палец и верхней частью поршня. При использовании поршня с плоским верхом это может быть простая математика. Но добавьте выемки клапана или «всплывающий» купол, и теперь вам нужно использовать башмак. Объем купола поршня, как правило, публикуется производителем, но если по какой-то причине вы используете поршни с заменяемыми материалами, вам нужно во всем разобраться.Для этого объем состоит из купола (материала над декой поршня) без вырезов клапана. Это окончательное число будет либо отрицательным, либо положительным. Если объем купола больше, чем объем выемок (типичный), то у вас положительная высота купола. Куполообразные поршни уменьшают объем камеры сгорания, поскольку купол занимает пространство над декой поршня и в камере головки блока цилиндров. Для поршней с плоским верхом рассматриваемый объем — это просто зазор в пазу клапана, если он с пазом.Если поршни массировали с помощью специальной резки или профилирования куполов, единственный способ точно получить объем куб. См — это измерить купола напрямую.

Посмотреть все 7 фотографий

Версия для определения скорости: сравнение материалов поршня

  • Лучше всего подходит для стандартных двигателей.
  • Типичный литой поршень плавится, а затем выливается в форму, имеющую форму готового продукта. Поршневые формы представляют собой постоянные штампы, сложные конструкции из составных стальных профилей.Полученная отливка требует минимальной механической обработки. Литые поршни стоят меньше и, как таковые, спроектированы как экономичный вариант замены. По этой причине они не подходят для высокопроизводительных приложений.

Сверхэвтектические (литые) алюминиевые поршни

  • Лучше всего подходят для двигателей с атмосферным наддувом мощностью до 600-650 лошадиных сил.
  • Середина дороги ценовой категории.
  • Заэвтектический поршень также представляет собой литой поршень, но с добавлением кремния (примерно 16 процентов) для получения более твердой и износостойкой версии стандартного литого поршня.Сам кремний расширяется меньше, чем алюминий, потому что он также действует как изолятор, не позволяя алюминию поглощать столько же рабочего тепла, сколько стандартный литой поршень. Еще одно преимущество добавления силикона состоит в том, что поршень становится более твердым и менее подверженным истиранию. Кроме того, более высокое содержание кремния в заэвтектических поршнях позволяет уменьшить зазоры между поршнем и боковой стенкой, улучшая уплотнение сгорания из-за меньшего раскачивания поршня при его перемещении в цилиндре.
  • Из-за более высокого содержания кремния заэвтектический сплав является менее пластичным и менее щадящим при использовании с наддувом и / или азотом, что делает их лучше всего подходящими для двигателей без наддува.

4032 Кованые алюминиевые поршни

  • Лучше всего подходят для двигателей мощностью до 1000 лошадиных сил без наддува.
  • Кованые поршни — самые прочные на рынке. Процесс производства отличается от литого поршня, потому что алюминий не плавится, как у литого поршня. Вместо этого горячий алюминиевый слиток вдавливается в простую форму. В результате заготовка поршня требует более тщательной обработки, чем литой поршень, прежде чем она станет поршнем.Кованый сплав 4032 — это сплав с высоким содержанием кремния (примерно 11 процентов) с низкими характеристиками расширения. Поршни, изготовленные из этого сплава, могут иметь более узкий зазор между поршнем и стенкой, что приводит к более плотному уплотнению с меньшим шумом и меньшим задирам, чем у его кузена 2618. Этот меньший допуск предотвращает раскачивание поршня, создавая более стабильный поршень.
  • Из-за более высокого содержания кремния 4032 является менее пластичным сплавом. Это означает, что он менее щадящий при использовании с усиленными и / или азотными приложениями.Они обладают более низким сопротивлением детонации, что делает их лучше всего подходящими для двигателей с минимальным наддувом или двигателей без наддува.
Просмотреть все 7 фотографий

2618 Кованые алюминиевые поршни

  • Лучше всего подходят для двигателей мощностью до 1200 лошадиных сил и идеально подходят для двигателей с сумматорами мощности.
  • Алюминий 2618 содержит низкое содержание кремния (примерно 2 процента). Этот сплав с низким содержанием кремния обеспечивает высокие характеристики расширения и является сплавом, который обычно используется для гонок в экстремальных условиях.Из-за характеристик высокого расширения поршни 2618 спроектированы для использования большего зазора между поршнем и стенкой цилиндра. Это означает, что когда вы запускаете двигатель в холодном состоянии, можно услышать звук поршней, и это обычно называют «хлопком поршня». Как только двигатель нагревается, «хлопающий» шум стихает, поскольку поршень расширяется до своего нормального рабочего зазора.
  • 2618 — это более пластичный сплав, и эта особенность обеспечивает более высокое сопротивление детонации. Эти характеристики позволяют поршню выдерживать некоторые из самых экстремальных условий, но долговечность в конечном итоге снижается после бесчисленных циклов нагрева.

Поршень и цилиндр | машиностроение

Поршень и цилиндр , в машиностроении, цилиндр скольжения с закрытой головкой (поршнем), который возвратно-поступательно перемещается в цилиндрической камере немного большего размера (цилиндре) под действием давления жидкости или против него, как в двигателе или насос. Цилиндр паровой машины ( qv ) закрыт пластинами с обоих концов, с возможностью прохождения штоком поршня, жестко прикрепленного к поршню, через одну из торцевых крышек с помощью сальника и набивки. коробка (паронепроницаемое соединение).

Цилиндр двигателя внутреннего сгорания закрыт на одном конце пластиной, называемой головкой, и открыт на другом конце, чтобы обеспечить свободное колебание шатуна, который соединяет поршень с коленчатым валом. Головка блока цилиндров содержит свечи зажигания в двигателях с искровым зажиганием (бензиновых) и обычно топливную форсунку в двигателях с воспламенением от сжатия (дизельных); на большинстве двигателей клапаны, контролирующие подачу свежих топливовоздушных смесей и отвод сгоревшего топлива, также расположены в головке.

Подробнее по этой теме

Бензиновый двигатель

: Двигатели поршневые

Большинство бензиновых двигателей относятся к поршнево-поршневому типу. Основными элементами поршнево-цилиндрового двигателя являются …

На большинстве двигателей цилиндры представляют собой гладко обработанные отверстия в главном конструктивном элементе двигателя, известном как блок, который обычно изготавливается из чугуна или алюминия.На некоторых двигателях цилиндры имеют гильзы (гильзы), которые можно заменить в случае их износа. В алюминиевых блоках используются вкладыши из центробежного чугуна, которые помещаются в форму при литье алюминия; Эти вкладыши не подлежат замене, но их можно расточить.

Поршни обычно снабжены поршневыми кольцами. Это круглые металлические кольца, которые входят в канавки на стенках поршня и обеспечивают плотное прилегание поршня внутри цилиндра. Они помогают обеспечить уплотнение для предотвращения утечки сжатых газов вокруг поршня и предотвращения попадания смазочного масла в камеру сгорания.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Важной характеристикой двигателя внутреннего сгорания является степень сжатия, определяемая как общий объем камеры сгорания с полностью выдвинутым поршнем (максимальный объем), деленный на общий объем с полностью сжатым поршнем (минимальный объем). Фактическая степень сжатия на практике несколько меньше.

Comments |0|

Legend *) Required fields are marked
**) You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>
Category: Разное