Двигатели
внутреннего сгорания

 
         

 

Главная
Основы конструирования
Расчеты
Силы и моменты
Поршневая группа
Шатуны и штоки
Коленчатые валы
Подшипники
Система газораспределения
Корпусные детали
Анализ конструкции
Устройство и
принцип действия

КШМ
ГРМ
Система смазки
Система охлаждения
Система питания
Система зажигания
Пуск двигателей
Увеличение мощности
Разное

Материалы поршней

Материал поршня должен быть возможно малой плотности, иметь низкий коэффициент линейного расширения, обладать износостойкостью, высокой теплопроводностью, в том числе при повышенных температурах, иметь хорошую обрабатываемость. При этом важными являются комплексные характеристики материала, а не только отдельные его свойства. Так, уровень термических напряжений зависит от величины Еа^/Х и т. д. В зависимости от назначения двигателя и типа конструкции поршня могут быть применены различные материалы. Поршни двигателей многих типов, прежде всего автомобильных и тракторных, изготовляют из легких сплавов литьем в кокиль или штамповкой. В первом случае применяются эвтектические силумины типа AJ125 (11-13% Si) и заэвтектические, содержащие присадки меди, никеля, магния и марганца. Поршни штампуют из сплавов АК4 и АК4-1, отличающихся высокими прочностными свойствами при повышенных температурах.
Несмотря на то, что масса поршней из алюминиевого сплава меньше массы поршней из чугуна, последний также применяется для изготовления поршней быстроходных двигателей. Из легированного серого и высокопрочного чугунов типов СЧ 24-СЧ 45 и ВЧ 45-5 изготовляют поршни форсированных тепловозных и среднеоборотных двигателей. При повышенной по сравнению с алюминиевыми сплавами температуре плавления чугуна устраняется обгорание кромок на поверхностях, обращенных к камере сгорания.
В составных поршнях для изготовления головки применяют жаростойкие стали типа 20ХЗМВФ. На изготовление из стали переходят, если максимальная температура в наиболее нагретых зонах поршня превышает ориентировочно 450°С. В ряде случаев (накладки поршней двухтактных двигателей) применяют высоколегированные жаропрочные стали. В табл. 11 приведены некоторые теплофизические и механические характеристики ряда материалов поршней с учетом зависимости их от температуры.
Расчет теплового состояния поршня
Расчет теплового состояния поршня на установившемся режиме работы двигателя заключается в определении его температурного поля. В зависимости от особенностей конструкции, целей и назначения расчета при проектировании или доводке поршня можно использовать математические модели различных уровней по глубине и полноте отражения в последних геометрических особенностей, особенностей нагружения и свойств материала.
Наибольшие трудности при оценке граничных условий встречаются при расчете составного поршня с масляным охлаждением (рис. 99), цельнометаллический поршень является в этом отношений частным случаем.
Суммарный теплообмен между газом и головкой поршня конвекцией и излучением характеризуется коэффициентом а2 = = ах теплоотдачи и результирующей температурой Тгрез газа по теплоотдаче или тепловым потоком qL = q01. При этом рассматриваются осредненные за цикл локальные значения о^ и q01, что относится и к другим теплонапряженным деталям двигателя. Если не учитывать локальность параметров теплообмена по поверхности поршня, то можно допустить существенную ошибку при определении его теплового состояния, так как в ряде случаев различие величины q01 по поверхности дни-
Основная трудность при расчете связана с обоснованным выбором граничных условий теплообмена на поверхностях отдельных элементов поршня.
При расчете теплового состояния охлаждаемых поршней следует также учитывать локальность значений параметров теплообмена и с охлаждающей жидкостью, в частности, локальный коэффициент = а2 теплоотдачи.
Известны эмпирические зависимости распределения Щ и q01 по радиусу для поршней различных типов.
Коэффициент теплоотдачи а2 = Й от днища поршня в масло зависит от способа охлаждения. Так, в неохлажденных поршнях теплоотдача в масляный туман от внутренних поверхностей поршня характеризуется значениями Щ В = 60 Ц 290 Вт/(м2 • °С). При охлаждении днища поршня опрыскиванием маслом, подаваемым через отверстие в шатуне, коэффициент теплоотдачи в местах соприкосновения струи масла с днищем определяется по формуле где VM-объемный расход масла, л/мин; i-число отверстий форсунки в головке шатуна; d-диаметр отверстий, мм; vM-кинематическая вязкость, м2/с.
При циркуляционном охлаждении где П-смачиваемый периметр поперечного сечения канала, см; /-площадь поперечного сечения канала, см2.
В обоих случаях за определяющую принимается средняя температура между температурами масла и охлаждаемой поверхности.
При охлаждении взбалтываемым маслом, где d3KB = D2 — Dy -разность наружного D2 и внутреннего Н диаметров кольцевой полости, где происходит взбалтывание масла (см. рис. 89); D — dci°'51 ic и ^-соответственно количество сливных отверстий и их диаметр, мм; су-скорость удара масла, м/с.
Через кольца во втулку цилиндра в отдельных случаях отводится до 50% количества теплоты, подведенной к поршню горячими газами. В связи с этим важно достаточно точно определить значения условных коэффициентов теплоотдачи ot^, Опк2, а^з, апк4, апк6, апк7 (рис. 99) на поверхностях соприкосновения кольца с поршнем и втулкой. Теплообменом между цилиндрической поверхностью поршневой канавки и кольцом вследствие большой величины зазора обычно пренебрегают и принимают = 0.
При повышении интенсивности масляного охлаждения влияние перечисленных коэффициентов теплоотдачи на точность расчетов уменьшается.
Часто наряду с понятием коэффициента теплоотдачи а пользуются понятием термического сопротивления R — 1/а. Общее термическое сопротивление кольца Лпк представляет собой цепь последовательно-параллельных сопротивлений его трущихся граней, при этом для приближенных оценок можно использовать формулу
 где Ьк, К и у-соответственно ширина, коэффициент теплопроводности материала и относительное термическое сопротивление кольца.
Ниже приведены рекомендуемые в литературных источниках значения относительного термического сопротивления колец.
Кольцо  - ........ ......       Верхнее
Дизель:
высокооборотный • • | • . . .  1,2-1,7
среднеоборотный..............1,5-1,9
малооборотный • • ...........1,9-2,2
Меньшие значения у относится к номинальному, а большие к частичным режимам работы двигателя.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 



  Разработано специально для liciss.ru, все права защищены.
Копирование материалов сайта разрешается только с указанием прямой индексируемой ссылки на источник.