Производство поршней
Технология производства поршней
Поршни двигателœей внутреннего сгорания, особенно быстроходных, работают в тяжелых условиях с точки зрения механической и тепловой нагрузки. Горячие газы ускоряют процесс коррозии днища поршня, температура которого достигает в отдельных местах 400…500 °С. Стенки поршня трутся о поверхность цилиндра при значительных давлениях от боковых сил шатуна и линœейных скоростях движения. Бобышки поршня испытывают знакопеременную нагрузку.
Исходя из этого, к материалу поршней предъявляются следующие требования:
1) хорошая теплопроводность;
2) высокая механическая прочность;
3) достаточная жаропрочность;
4) плотность материала
5) хорошее сопротивление износу и коррозии;
6) невысокий коэффициент трения;
7) коэффициент линœейного расширения поршня должен быть близок к коэффициенту линœейного расширения материала цилиндра.
В двигателях мало- и среднеоборотных основным материалом служит чугун марок СЧ24 и СЧ28 легированный хромом и другими присадками. Иногда используют высокопрочный чугун. Для отъемных головок поршней больших размеров применяют материалы, не обладающие антифрикционными свойствами, но более жаропрочные: поковки и отливки из легированных сталей 20ХМ, ЗОМ и других, высокопрочного чугуна ВЧ50.
Поршни для легких многооборотных двигателœей, а в некоторых случаях и для более крупных двигателœей изготавливают из алюминиевых сплавов. преимуществам которых является малая плотность сплавов и высокая теплопроводность. Недостатком алюминиевых сплавов, не считая меньшей сопротивляемости износу, следует считать высокий коэффициент линœейного расширения, требующий больших зазоров между цилиндром и поршнем в холодном состоянии.
В быстроходных двигателях литые сплавы вытесняются кованными, обладающими более высокой прочностью: АК4, АК4-1, а также АК2 с пределом прочности sв = 400…450 МПа.
В качестве заготовок для поршней применяют отливки и штамповки.
В серийном производстве чугунных и алюминиевых поршней широко применяется литье в металлические формы (в кокиль).
Поршни из сплавов АК2 и АК4 изготавливаются штамповкой. При штамповке непосредственно из слитка часто появляются трещины и ухудшается структура; в связи с этим поршни штампуют из катаных или прессованных заготовок.
На объём и сложность технологического процесса изготовления детали большое влияние оказывают требования к механической обработке. Для большинства ответственных деталей эти требования, как правило, приводятся в государственных или отраслевых стандартах.
Требования к механической обработке заготовок поршней следующие:
1) ось отверстия под поршневой палец должна быть перпендикулярна к образующей поршня (во избежание перекоси поршня в цилиндре). Допуск перпендикулярности 0,1...0,15 мм на 1 м длины контрольного валика;
2) ось отверстия под палец должна лежать и папой плоскости с осью поршня. Допуск пересечения осœей 0.2...0,3 мм для чугунных поршней и 0,1...0,2 мм для алюминиевых;
3) боковые плоскости канавок для колец должны быть перпендикулярны к образующей поршня. Допуск перпендикулярности 0,02...0,03 мм;
4) контур днища поршня должен быть выдержан с точностью 0,2...0,5 мм.
5) должна быть обеспечена герметичность полости охлаждения;
6) обработка по размерам (рис. 1) ведется с точностью, указанной в табл. 1;
7) отклонение массы поршня от указанной в чертеже не должно превышать 0,8...1,2 % для алюминиевых и 1...2 % для чугунных поршней;
8) шероховатость обработанных поверхностей обычно аналогична приведенной на рис. 1.
В качестве примера рассмотрим типовой технологический процесс обработки чугунного поршня для среднеоборотного двигателя в условиях серийного производства. Такой выбор поршня и типа производства обусловлен тем, что в дизелœестроении мелкосœерийное производство является наиболее распространенным, а при обработке поршня такого размера и материала применяются наиболее характерные способы и приемы. При этом крайне важно учесть следующее:
1) основными обрабатываемыми поверхностями поршней являются поверхности тел вращения; их обработка производится, главным образом, на токарных и расточных станках;
2) поршни являются тонкостенными деталями и в связи с этим легко деформируются, что затрудняет обеспечение высокой точности обработки. Для ее повышения пользуются вспомогательными, точно обработанными базирующими поверхностями, установка на которые позволяет зажимать поршень без значительных деформаций. Чаще всœего за такие базы принимают точно обработанный поясок юбки поршня и ее торец.
Рис. 1. Поршни:
а) чугунный литой; б) алюминиевый штампованный
Таблица 1
Точность обработки поршня
| Размер | Поле допуска | Примечание |
| D1 | h6 | D1 = D – (0,0010…0,0013)D – для чугунных поршней; D1 = D – (0,0018…0,0025)D – для алюминиевых поршней, где D – диаметр цилиндра |
| D2 | h9 | При цилиндрической форме верхней части поршня |
| D3 | H9…H7 | |
| D4 | h21 | На соответствующем размере буртика крышки с11 |
| d | H7 | Для тихоходных двигателœей |
| d | H6 | Для быстроходных двигателœей |
| h | 3-й класс | 0,020…0,035 мм исходя из размера |
| k | ± 0,1…0,05 мм | Для двигателœей без регулирующих e0 прокладок |
При изготовления поршня применяется следующий технологический процесс:
операция 05- проверка отливки; разметка под токарную обработку. Для обеспечения равномерной толщины стенок и днища поршня за базовые берутся внутренние необрабатываемые поверхности. Первоначальную разметку выполняют с укладкой поршня сначала на призмы (в двух положениях, через 90 °), а затем с установкой его на днище. Наносятся продольные и поперечные центровые линии и риски, определяющие припуски по торцам. На зачищенной технологической центровой бобышке на головке поршня намечается центровое отверстие;
операция 10- обдирка наружной поверхности и днища (желательно как можно раньше выявить пригодность материала ответственных наружных поверхностей - отсутствие раковин, трещин и т. п.).
Поршень устанавливают прибылью в кулачки планшайбы с выверкой по рискам на верхнем торце и поддерживают задним центром (рис. 2, а). Такое крепление позволяет вести обработку на производительных режимах без опасения деформировать поршень. Начерно прорезают канавки для колец (это дает возможность удостовериться в хорошем качестве отливки), а также отрезают прибыль и пробное кольцо для проведения испытаний (механических испытаний, структурного и химического анализа; для средних и мелких алюминиевых поршней одну заготовку от каждой плавки разрезают на части и подвергают механическим испытаниям, макроструктурному и химическому анализу).
На чистовую обточку оставляется припуск 2...2,5 мм на сторону;
операция 15- черновая расточка внутренних поясков, подрезка нижнего торца и фланца полости охлаждения - производится на токарном или расточном станке. Поршень устанавливается головкой в четырехкулачковый патрон, а юбкой - в люнет 1. За базу принимается вчерне обработанная наружная поверхность (рис. 2, б);
операция 20- черновая расточка и подрезка отверстия для пальца - выполняется на карусельном или расточном станке;
операция 25- термообработка для снятия напряжений. Нагрев до температуры приблизительно 500 °С в течение 4 ч, выдержка 6 ч, остывание вместе с печью в течение 10 ч до t = 150 °С (для алюминиевых поршней остывание не с печью, а на воздухе - нормализация);
Рис. 2. Черновая обработка поршня:
а) обточка; б) расточка.
операция 30- чистовая расточка внутренних поясков и подрезка нижнего торца и фланца полости охлаждения — выполняется аналогично 3-й операции. Эти поверхности используются в дальнейшем как установочная база для последующих операций;
операция 35- чистовая обточка (с припуском на диаметр 0,5...0,35 мм под шлифование), проточка канавок для колец, проточка камеры сгорания (профиля верхнего днища). Операция выполняется на обычных или многорезцовых токарных станках. Подготовленная в 6-й операции установочная база (внутренний поясок и нижний торец) очень удобна для выполнения всœей наружной обработки при одной установке.
Поршень ориентируется на центрирующем диске 1через отверстие в бобышках пальцем 2и тягой 3и закрепляется с помощью пневматического цилиндра 4(рис. 3).
Рис. 3. Чистовая обточка поршня
Фасонное днище поршня обтачивают посредством поперечного копира 5, закрепляемого на станинœе станка.
Верхний суппорт 6отключается от самохода и роликом 7 связывается с копиром; при включении самохода поперечного суппорта 8верхний суппорт 6описывает кривую в соответствии с профилем копира.
Для данных поршней с целью устранения вибраций и усиления устойчивости головку поршня упирают в задний центр с помощью технологической бобышки 9.
Чистовую проточку канавок для колец выполняют набором калибрующих резцов с малой поперечной подачей (около 0,05 мм/об), обеспечивая этим высокую степень точности и шероховатости поверхности;
операция 40- расточка (с припуском 0,4…0,5 мм) отверстия для пальца и чистовая подрезка торцов бобышек - производится на карусельном или расточном станке;
операция 45 - сверление отверстии на фланце полости охлаждения для крепления крышки производится на радиально сверлильном станке с помощью кондуктора. Поршень устанавливается головкой в приспособление;
операция 50 - гидравлическое испытание полости охлаждения давлением приблизительно 0,6 МПа. Поршни для быстроходных двигателœей также подвергаются гидравлическому испытанию, но при этом испытываются только днища поршней. Отверстия в бобышках в данном случае заглушаются;
операция 55 - сверление наклонных отверстий в канавках под маслосъемные кольца производится на радиально-сверлильном станке с помощью кондуктора. Поршень устанавливается под наклоном на специальном угольнике так, чтобы оси отверстий были перпендикулярными к столу станка. Часто угольники снабжаются целительным приспособлением;
операция 60 - шлифование наружной поверхности поршня - производится на круглошлифовальном станке (рис. 4, а). Поршень устанавливается в центры, причем в нижнем торце устанавливается специальный центровой диск 1. В случае если центровая бобышка на верхнем (днище поршня не срезана, то передний центр упирается в нее, а для привода от поводка 2на днище устанавливается специальный магнитный упор 3.
В этой же операции зачищают торцом абразивного круга кольцевую плоскость на верхнем торце поршня (она служит установочной базой для расточки отверстия под палец);
операция 65 - срезка центровой бобышки на верхнем днище поршня (если она не была срезана раньше) —выполняется на токарном станке;
операция 70 - тонкая расточка отверстия под палец – выполняется на тонкорасточном или планетарно-шлифовальном станке. Установочной базой служит шлифованная кольцевая плоскость на верхнем торце поршня. Правильное положение поршня по отношению к шпинделю станка достигается конусным установочным пальцем 1, вводимым в отверстие под палец со стороны бобышки, противоположной обрабатываемой (рис. 4, б).
Соблюдение размера к обеспечивается точной установкой шпинделя по высоте.
Рис. 4. Завершающая обработка поршня:
а) шлифование наружной поверхности; б) тонкая расточка
отверстий в бобышках
Контроль обработки поршней.Поршень — одна из наиболее ответственных деталей двигателя, в связи с этим он подвергается тщательному контролю как в процессе обработки, так и после нее.
Окончательный контроль состоит из следующих операций:
1) наружный осмотр с целью проверки шероховатости обработки (по образцу) и выявление дефектов материала и обработки;
2) проверка геометрических размеров отдельных поверхностей с помощью универсального и специального измерительного инструмента;
3) проверка расположения наиболее ответственных поверхностей (к примеру, отверстия в бобышках, образующей поршня и т. н.);
4) проверка массы поршня.
Обработка поршней небольшого размера из алюминиевого сплава при серийном производстве проводится по аналогичной технологической схеме, однако характеризуется применением большого количества приспособлений и полным отсутствием разметки.
Технология производства поршней - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Технология производства поршней" 2014, 2015.
Поршень двигателя - почти всё о нём.
Поршень двигателя является одной из самых главных деталей и конечно же от материала и качества поршней зависит успешная эксплуатация мотора и его долгий ресурс. В этой статье, больше рассчитанной на новичков, будет описано всё (ну или почти всё), что связано с поршнем, а именно: назначение поршня, его устройство, материалы и технология изготовления поршней и другие нюансы.
Сразу хочу предупредить уважаемых читателей, что если какой то важный нюанс, связанный с поршнями, или с технологией их изготовления, я уже написал более подробно в другой статье, то разумеется мне нет смысла повторяться в этой статье. Я просто напросто буду ставить соответствующую ссылку, перейдя по которой уважаемый читатель при желании сможет перейти на другую более подробную статью и в ней ознакомиться с нужной информацией о поршнях более подробно.
На первый взгляд многим новичкам может показаться, что поршень довольно простая деталь и придумать уже что то более совершенное в его технологии производства, форме и конструкции невозможно. Но на самом деле всё не так просто и не смотря на внешнюю простоту формы, поршни и технологии их изготовления до сих пор совершенствуются, особенно на самых современных (серийных или спортивных) более высоко-оборотистых форсированных двигателях. Но не будем забегать вперёд и начнём от простого к сложному.
Для начала разберём для чего нужен поршень (поршни) в двигателе, как он устроен, какие формы поршней бывают для разных двигателей и далее уже плавно перейдём к технологиям изготовления.
Для чего нужен поршень двигателя.
Поршень, за счёт кривошипно-шатунного механизма (коленвала и шатуна — см. рисунок чуть ниже), перемещаясь возвратно-поступательно в цилиндре двигателя, например перемещаясь вверх — для засасывания в цилиндр и сжатия в камере сгорания рабочей смеси, а так же за счёт расширения сгораемых газов перемещаясь в цилиндре вниз, совершает работу, преобразуя тепловую энергию сгораемого топлива в энергию движения, которая способствует (через трансмиссию) вращению ведущих колёс транспортного средства.
Поршень двигателя и силы действующие на него: А — сила, прижимающая поршень к стенкам цилиндра; Б — сила, перемещающая поршень вниз; В — сила передаваемая усилие от поршня к шатуну и наоборот, Г — сила давления сгораемых газов, перемещающая поршень вниз.
То есть по сути без поршня в одноцилиндровом двигателе, или без поршней в многоцилиндровом двигателе — невозможно движение транспортного средства, на которое установлен двигатель.
Кроме того, как видно из рисунка, на поршень действуют несколько сил, (также на том же рисунке не показаны противоположные силы, давящие на поршень снизу вверх).
И исходя из того, что на поршень давят и довольно сильно несколько сил, у поршня должны быть некоторые важные свойства, а именно:
- способность поршня двигателя противостоять огромному давлению газов, расширяющихся в камере сгорания.
- способность сжать и противостоять большому давлению сжимаемого топлива (особенно на дизелях).
- способность противостоять прорыву газов между стенками цилиндра и своими стенками.
- способность передавать огромное давление на шатун, через поршневой палец, без поломок.
- способность не изнашиваться долгое время от трения о стенки цилиндра.
- способность не заклиниваться в цилиндре от теплового расширения материала, из которого он изготовлен.
- поршень двигателя должен иметь способность противостоять высокой температуре сгорания топлива.
- иметь большую прочность при небольшой массе, чтобы исключить вибрацию и инерционность.
И это далеко не все требования, предъявляемые к поршням, особенно на современных высоко-оборотистых моторах. О полезных свойствах и требованиях современных поршней мы ещё поговорим, а для начала давайте рассмотрим устройство современного поршня.
Как видно на рисунке, современный поршень можно разделить на несколько частей, каждая из которых имеет важное значение и свои функции. Но ниже будут описаны основные наиболее важные части поршня двигателя и начнём с наиболее важной и ответственной части — с днища поршня.
Донышко (днище) поршня двигателя.
Это самая верхняя и наиболее нагруженная поверхность поршня, которая обращена непосредственно к камере сгорания двигателя. И нагружено донышко любого поршня не только большой давящей силой от расширяющихся с огромной скоростью газов, но и высокой температурой сгорания рабочей смеси.
Кроме того, донышко поршня своим профилем определяет нижнюю поверхность самой камеры сгорания и также определяет такой важный параметр, как степень сжатия. Кстати, зависеть форма донышка поршня может от некоторых параметров, например от расположения в камере сгорания свечей, или форсунок, от расположения и величины открытия клапанов, от диаметра тарелок клапанов — на фото слева хорошо видны выемки для тарелок клапанов в донышке поршня, которые исключают встречу клапанов с донышком.
Так же форма и размеры донышка поршня зависят от объёма и формы камеры сгорания двигателя, или от особенностей подачи в нее топливно-воздушной смеси — например на некоторых старых двухтактных двигателях на донышке поршня делали характерный выступ-гребень, играющий роль отражателя и направляющий поток продуктов горения при продувке. Этот выступ показан на рисунке 2 (выступ на донышке также виден на рисунке выше, где показано устройство поршня). Кстати, на рисунке 2 так же показан рабочий процесс древнего двухтактного двигателя и то, как влияет выступ на донышке поршня на наполнение рабочей смесью и на выпуск отработанных газов (то есть на улучшение продувки).
Двухтактный двигатель мотоцикла — рабочий процесс
Но на некоторых двигателях (например на некоторых дизелях) на донышке поршня в центре наоборот имеется круглая выемка, благодаря которой увеличивается объем камеры сгорания и соответственно уменьшается степень сжатия.
Но, поскольку выемка небольшого диаметра в центре донышка является не желательной для благоприятного наполнения рабочей смесью (появляются нежелательные завихрения), то на многих двигателях на донышках поршней в центре перестали делать выемки.
А для уменьшения объема камеры сгорания приходится делать так называемые вытеснители, то есть изготавливать донышко с определенным объёмом материала, который располагают немного выше основной плоскости донышка поршня.
Ну и ещё один важный показатель — это толщина донышка поршня. Чем она толще, тем прочнее поршень и тем большую тепловую и силовую нагрузку он сможет выдержать довольно долго. А чем тоньше толщина донышка поршня, тем бóльшая вероятность прогара, или физического разрушения донышка.
Но с увеличением толщины донышка поршня, соответственно увеличивается и масса поршня, что для форсированных высоко-оборотистых моторов очень нежелательно. И поэтому конструкторы идут на компромисс, то есть «ловят» золотую середину между прочностью и массой, ну и конечно же постоянно стараются усовершенствовать технологии производства поршней для современных моторов (о технологиях позже).
Жаровой пояс поршня.
Как видно на рисунке выше, где показано устройство поршня двигателя, жаровым поясом считается расстояние от донышка поршня до его самого верхнего компрессионного кольца. Следует учесть, что чем меньше расстояние от донышка поршня до верхнего кольца, то есть чем тоньше жаровой пояс, тем более высокую тепловую напряжённость будут испытывать нижние элементы поршня, и тем быстрее они будут изнашиваться.
Поэтому для высоко напряжённых форсированных двигателей желательно делать жаровой пояс потолще, однако это делают не всегда, так как это тоже может увеличить высоту и массу поршня, что для форсированных и высоко-оборотистых двигателей нежелательно. Тут так же как и с толщиной донышка поршня, важно найти золотую середину.
Уплотняющий участок поршня.
Этот участок начинается от нижней части жарового пояса до того места, где заканчивается канавка самого нижнего поршневого кольца. На уплотняющем участке поршня расположены канавки поршневых колец и вставлены сами кольца (компрессионные и масло-съёмные).
Канавки колец не только удерживают поршневые кольца на месте, но ещё и обеспечивают их подвижность (благодаря определённым зазорам между кольцами и канавками), что позволяет поршневым кольцам свободно сжиматься и разжиматься за счёт своей упругости (что очень важно если цилиндр изношен и имеет форму бочки). Это также способствует прижиму поршневых колец к стенкам цилиндра, что исключает прорыв газов и способствует хорошей компрессии, даже если цилиндр немного изношен.
Как видно на рисунке с устройством поршня, в канавке (канавках), предназначенной для маслосъёмного кольца имеются отверстия для обратного стока моторного масла, которое масло-съёмное кольцо (или кольца) снимает со стенок цилиндра, при движении поршня в цилиндре.
Кроме основной функции (не допустить прорыва газов) уплотняющего участка, у него есть ещё одно важное свойство — это отвод (точнее распределение) части тепла от поршня на цилиндр и весь двигатель. Разумеется для эффективного распределения (отвода) тепла и для предотвращения прорыва газов важно, что бы поршневые кольца довольно плотно прилегали к своим канавкам, но особенно к поверхности стенки цилиндра.
Головка поршня двигателя.
Головка поршня представляет из себя общий участок, который включает в себя уже описанные мной выше донышко поршня и его и уплотняющий участок. Чем больше и мощнее головка поршня, тем выше его прочность, лучше отвод тепла и соответственно больше ресурс, но и масса тоже больше, что как было сказано выше, нежелательно для высоко-оборотистых моторов. А снизить массу, без уменьшения ресурса, можно если увеличить прочность поршня путём усовершенствования технологии изготовления, но об этом я подробнее напишу позже.
Кстати, чуть не забыл сказать, что в некоторых конструкциях современных поршней, изготавливаемых из алюминиевых сплавов, в головке поршня делают нирезистовую вставку, то есть в головку поршня заливают ободок из нирезиста (специального прочного и стойкого к коррозии чугуна).
В этом ободке прорезают канавку для самого верхнего и наиболее нагруженного компрессионного поршневого кольца. И хотя благодаря вставке немного увеличивается масса поршня, зато существенно увеличивается его прочность и износостойкость (к примеру нирезистовую вставку имеют наши отечественные Тутаевские поршни, изготовленные на ТМЗ).
Компрессионная высота поршня.
Компрессионная высота — это расстояние в миллиметрах, которое отсчитывается от донышка поршня до оси поршневого пальца (или наоборот). У разных поршней компрессионная высота разная и разумеется чем больше расстояние от оси пальца до донышка, тем она больше, а чем она больше, тем лучше компрессия и меньшая вероятность прорыва газов, но и больше сила трения и нагрев поршня.
На старых тихоходных и мало-оборотистых моторах компрессионная высота поршня была больше, а на современных более высоко-оборотистых двигателях стала меньше. Здесь тоже важно найти золотую середину, которая зависит от форсировки мотора (чем выше обороты, тем меньше должно быть трение и меньшая компрессионная высота).
Юбка поршня двигателя.
Юбкой называют нижнюю часть поршня (её ещё называют направляющей частью). Юбка включает в себя бобышки поршня с отверстиями, в которые вставляется поршневой палец. Внешняя поверхность юбки поршня является направляющей (опорной) поверхностью поршня и эта поверхность также как и поршневые кольца трётся о стенки цилиндра.
Примерно в средней части юбки поршня имеются приливы, в которых имеются отверстия для поршневого пальца. А так как вес материала поршня у приливов тяжелее, чем в других местах юбки, то деформации от воздействия температуры в плоскости бобышек будут больше, чем в других частях поршня.
Поэтому для снижения температурных воздействий (и напряжений) на поршне с двух сторон с поверхности юбки снимают часть материала, примерно на глубину 0,5-1,5 мм и получаются небольшие углубления. Эти углубления, называемые холодильниками, не только способствуют устранению температурных воздействий и деформаций, но ещё и препятствуют образованию задиров, а так же улучшают смазку поршня при движении его в цилиндре.
Следует так же отметить, что юбка поршня имеет форму конуса (в верху у донышка уже, внизу шире), а в плоскости, перпендикулярной оси поршневого пальца имеет форму овала. Эти отклонения от идеальной цилиндрической формы минимальные, то есть имеют всего несколько соток мм (эти величины разные — чем больше диаметр, тем больше отклонения).
Конус нужен для того, что бы поршень расширялся от нагрева равномерно, ведь в верху температура поршня выше, а значит и тепловое расширение больше. А раз у донышка диаметр поршня чуть меньше, чем внизу, то при расширении от нагрева поршень примет форму, близкую к идеальному цилиндру.
Ну а овал предназначен для компенсации быстрого износа на стенках юбки, которые стираются быстрее там где трение выше, а выше оно в плоскости движения шатуна.
Благодаря юбке поршня (точнее её боковой поверхности) обеспечивается нужное и правильное положение оси поршня к оси цилиндра мотора. С помощью боковой поверхности юбки, к цилиндру двигателя передаются поперечные усилия от действия боковой силы А (см. самый верхний рисунок в тексте, а так же рисунок справа) которая периодически воздействует на поршни и цилиндры, при перекладке поршней во время вращения коленвала (кривошипно-шатунного механизма).
Также благодаря боковой поверхности юбки осуществляется отвод тепла от поршня к цилиндру (так же как и от поршневых колец). Чем больше боковая поверхность юбки, тем лучше идёт отвод тепла, меньше утечка газов, меньше стук поршня при некотором износе втулки верхней головки шатуна (или при неточной обработке втулки — см. рисунок слева), впрочем как и при трёх компрессионных кольцах, а не двух (об этом я подробнее написал вот тут).
Но при слишком длинной юбке поршня больше его масса, больше трения возникает о стенки цилиндров (на современных поршнях для уменьшения трения и износа стали наносить антифрикционное покрытие на юбку), а лишняя масса и трение очень нежелательны в высоко-оборотистых форсированных современных (или спортивных) моторах и поэтому на таких двигателях юбку постепенно стали делать очень короткой (так называемая миниюбка) и постепенно почти от неё избавились — так и появился Т-образный поршень, показанный на фото справа.
Но и у Т-образных поршней есть недостатки, например у них опять же могут быть проблемы с трением о стенки цилиндра, из-за недостаточной смазываемой поверхности очень короткой юбки (причём на малых оборотах).
Более подробно об этих проблемах, а так же в каких случаях Т-образные поршни с мини юбкой нужны в некоторых двигателях, а в каких нет, я написал отдельную подробную статью вот здесь. Там же написано об эволюции формы поршня двигателя — советую почитать. Ну а мы думаю уже разобрались с устройством поршней и плавно переходим к технологиям изготовления поршней, чтобы понять какие поршни, изготовленные разными способами лучше, а какие хуже (менее прочные).
Поршни для двигателей — материалы изготовления.
При выборе материала для изготовления поршней предъявляют строгие требования, а именно:
- материал поршня должен иметь отличные антифрикционные (антизадирные) свойства.
- материал поршня двигателя должен иметь довольно высокую механическую прочность.
- материал поршня должен иметь малую плотность и хорошую теплопроводность.
- материал поршня должен быть стоек к коррозии.
- материал поршня должен иметь малый коэффициент линейного расширения и быть по возможности близок или равен коэффициенту расширения материала стенок цилиндра.
Чугун.
Раньше, на заре двигателестроения, ещё со времён самых первых автомобилей, мотоциклов и самолётов (аэропланов), для материала поршней применяли серый чугун (кстати для поршней компрессоров тоже). Конечно же, как и у любого материала, у чугуна имеются как достоинства, так и недостатки.
Из достоинств следует отметить хорошую износостойкость и достаточную прочность. Но наиболее важное достоинство чугунных поршней, устанавливаемых в двигатели с чугунными блоками (или гильзами) — это такой же коэффициент теплового расширения, как и чугунного цилиндра двигателя. А значит тепловые зазоры можно сделать минимальными, то есть гораздо меньше, чем у алюминиевого поршня, работающего в чугунном цилиндре. Это позволяло существенно увеличить компрессию и ресурс поршневой группы.
Ещё один существенный плюс чугунных поршней — это небольшое (всего 10 %) снижение механической прочности при нагреве поршня. У алюминиевого поршня снижение механической прочности при нагреве ощутимо больше, но об этом ниже.
Но с появлением более оборотистых двигателей, при использовании чугунных поршней, на больших оборотах стал выявляться их главный недостаток — довольно большая масса, по сравнению с алюминиевыми поршнями. И постепенно перешли к изготовлению поршней из алюминиевых сплавов, даже в двигателях с чугунным блоком, или гильзой, хоть и пришлось делать алюминиевые поршни с гораздо бóльшими тепловыми зазорами, чтобы исключить клин алюминиевого поршня в чугунном цилиндре.
Кстати, раньше на поршнях некоторых двигателей делали косой разрез юбки, который обеспечивал пружинящие свойства юбки алюминиевого поршня и исключал его заклинивание в чугунном цилиндре — пример такого поршня можно увидеть на двигателе мотоцикла ИЖ-49).
А с появлением современных цилиндров, или блоков цилиндров, полностью выполненных из алюминия, в которых уже нет чугунных гильз (то есть покрытых никасилем или керонайтом) появилась возможность изготавливать алюминиевые поршни тоже с минимальными тепловыми зазорами, ведь тепловое расширение легкосплавного цилиндра стало практически таким же, как и у легкосплавного поршня.
Алюминиевые сплавы. Практически все современные поршни на серийных двигателях сейчас изготавливают из алюминиевых сплавов (кроме пластиковых поршней на дешёвых китайских компрессорах).
У поршней, выполненных из алюминиевых сплавов тоже имеются как достоинства, так и недостатки. Из основных достоинств следует отметить небольшой вес легкосплавного поршня, что очень важно для современных высокооборотистых двигателей. Вес алюминиевого поршня конечно же зависит от состава сплава и от технологии изготовления поршня, ведь кованный поршень весит значительно меньше, чем выполненный из того же сплава методом литья, но о технологиях я напишу чуть позже.
Ещё одно достоинство легкосплавных поршней, о которой мало кто знает — это довольно высокая теплопроводность, которая примерно в 3-4 раза выше, чем теплопроводность серого чугуна. Но почему достоинство, ведь при высокой теплопроводности и тепловое расширение довольно не малое и придётся и придётся и тепловые зазоры делать больше, если конечно цилиндр чугунный (но с современными алюминиевыми цилиндрами это стало не нужно).
А дело в том, что высокая теплопроводность не позволяет нагреваться донышку поршня более чем 250 °C, а это способствует гораздо лучшему наполнению цилиндров двигателей и конечно же позволяет ещё более повысить степень сжатия в бензиновых моторах и тем самым поднять их мощность.
Кстати, чтобы как то усилить отлитые из лёгкого сплава поршни, в их конструкцию инженеры добавляют различные усиливающие элементы — например делают стенки и донышко поршня толще, а бобышки под поршневой палец отливают более массивными. Ну или делают вставки из того же чугуна, я об этом уже писал выше. И конечно же все эти усиления увеличивают массу поршня, и в итоге получается, что более древний и прочный поршень, изготовленный из чугуна, проигрывает в весе легкосплавному поршню совсем чуть чуть, где то процентов на 10 — 15.
И тут любому напрашивается вопрос, а стоит ли овчинка выделки? Стóит, ведь у алюминиевых сплавов есть ещё одно отличное свойство — они раза в три лучше отводят тепло, чем тот же чугун. И это важное свойство незаменимо в современных высоко-оборотистых (форсированных и горячих) двигателях, у которых довольно высокая степень сжатия.
К тому же современные технологии производства кованных поршней (о них чуть позже) существенно повышают прочность и уменьшают вес деталей и уже не требуется усиление таких поршней различными вставками, или более массивными отливками.
К недостаткам поршней, выполненных из алюминиевых сплавов относятся такие как: довольно большой коэффициент линейного расширения алюминиевых сплавов, у которых оно составляет примерно в два раза больше, чем у поршней выполненных из чугуна.
Ещё одним существенным недостатком алюминиевых поршней является довольно большое снижение механической прочности, при повышении температуры поршня. К примеру: если легкосплавный поршень нагреть до трёхсот градусов, то это приведёт к снижению его прочности аж в два раза (примерно на 55 — 50 процентов). А у чугунного поршня при его нагреве прочность снижается ощутимо меньше — всего на 10 — 15%. Хотя современные поршни, выполненные из алюминиевых сплавов методом поковки, а не с помощью литья, при нагреве теряют прочность гораздо меньше.
На многих современных алюминиевых поршнях снижение механической прочности и слишком большое тепловое расширение устраняется более совершенными технологиями производства, которые заменили традиционное литьё (об этом ниже), а так же специальными компенсационными вставками (например упомянутые мной выше — вставки из нирезиста), которые не только увеличивают прочность, но и значительно уменьшают тепловое расширение стенок юбки поршня.
Поршень двигателя — технологии изготовления.
Ни для кого не секрет, что со временем, чтобы увеличить мощность двигателей, постепенно начали повышать степень сжатия и обороты моторов. А чтобы поднять мощность без особого ущерба для ресурса поршней, постепенно совершенствовались технологии их изготовления. Но начнём всё по порядку — с обычных литых поршней.
Поршни изготовленные методом обычного литья.
Эта технология самая простая и древняя, она применяется с самого начала истории авто и двигателестроения, ещё со времён первых чугунных поршней.
Технология производства поршней для самых современных двигателей обычным литьём уже почти не применяется. Ведь на выходе получается продукт имеющий изъяны (поры и т.д.) значительно снижающие прочность детали. Да и технология обычного литья в форму (кокиль) довольно древняя, она позаимствована ещё у наших древних предков, которые много веков назад отливали бронзовые топоры.
И залитый в кокиль сплав алюминия повторяет форму кокиля (матрицы), а потом деталь ещё нужно обработать термически и на станках, снимая лишний материал, что отнимает не мало времени (даже на станках с ЧПУ).
Литьё под давлением.
У поршня, изготовленного методом простого литья прочность не высока, из-за пористости детали и постепенно многие фирмы от этого способа отошли и начали отливать поршни под давлением, что значительно улучшило прочность, так как пористость почти отсутствует.
Технология литья под давлением, существенно отличается от технологии обычного литья топоров бронзового века и конечно же на выходе получается более аккуратная и прочная деталь, имеющая несколько лучшую структуру. Кстати, литьём алюминиевых сплавов под давлением в форму (ещё эту технологию называют жидкой штамповкой) отливают не только поршни, но и рамы некоторых современных мотоциклов и автомобилей.
Но всё же и эта технология не идеальна и если даже вы возьмёте в руки отлитый под давлением поршень и рассмотрев его, ничего не обнаружите на его поверхности, но это не значит, что и внутри всё идеально. Ведь в процессе литья, даже под давлением, не исключено появления внутренних пустот и каверн (мельчайших пузырьков), уменьшающих прочность детали.
Но всё же литьё поршней под давлением (жидкая штамповка) существенно лучше обычного литья и эта технология до сих пор применяется на многих заводах при изготовлении поршней, рам, деталей ходовой и других деталей автомобилей и мотоциклов. А кому интересно более подробно почитать о том, как делают жидко-штампованные поршни и о их преимуществах, то читаем о них вот здесь.
Кованные поршни автомобиля (мотоцикла).
Кованые поршни для отечественных автомобилей.
Эта наиболее прогрессивная на данный момент технология производства современных легкосплавных поршней, которые имеют множество преимуществ перед литыми и которые устанавливают на самые современные высоко-оборотистые моторы, с высокой степенью сжатия. У кованных поршней, изготовленных авторитетными фирмами, практически нет недостатков.
Но мне нет смысла писать о кованных поршнях подробно в этой статье, так как я написал о них две очень подробные статьи, которые каждый желающий сможет почитать, кликнув на ссылки ниже.
Кованные поршни 1
Кованные поршни 2
Вот вроде бы и всё, если что нибудь вспомню ещё о такой важной детали, как поршень двигателя, то обязательно допишу, успехов всем.
suvorov-castom.ru
Кованые поршни (2).
Для многих приверженцев тюнинга серийных моторов, кованные поршни являются самыми первыми деталями, которыми заменяют штатные поршни. И кованные поршни из-за своей большей прочности, чем у обычных поршней, позволяют облегчить их ещё больше — на целую четверть. В этой статье мы рассмотрим почему кованые поршни имеют ряд преимуществ перед обычными литыми, чем они отличаются, и следует ли их устанавливать на обычные серийные двигатели, или только на спортивные форсированные?
Начнём немного из далека, то есть из прошлого века. Все мотористы знают, что раньше поршни изготавливались из высокопрочного чугуна, и поршень из этого металла обладал высокой прочностью, износостойкостью, а главное имел небольшой коэффициент расширения от нагрева. И благодаря этому можно было сделать минимальный зазор между поршнем и цилиндром. Но от чугунных поршней отказались более полувека назад, так как чугунный поршень имел большую массу.
И если вначале, на тихоходных моторах чугунные поршни работали не плохо, то позже, когда мощность мотора начали наращивать за счёт повышения оборотов, чугунные поршни из-за своего веса оказались непригодны. Так как их вес, при возвратно-поступательном движении деталей, ощутимо повышал нагрузку на опоры деталей, а именно: палец, шатун, коленчатый вал. И чтобы упрочнить эти детали, их размеры, а следовательно и массу приходилось увеличивать — это ставило в тупик эволюцию успешного развития моторов.
Как известно многим, чугун впоследствии заменил намного более лёгкий алюминиевый сплав, который частично снял проблему веса, но вот механические свойства, прочность алюминиевых сплавов оставляет желать лучшего, и до сих пор инженеры ищут способы упрочнения алюминиевых сплавов. И один из способов упрочнения алюминиевого поршня — это изотермическая штамповка, или говоря проще — ковка. А чтобы понять, почему кованный поршень круче литого, рассмотрим процесс изготовления обычных литых, а затем и кованных поршней.
Производство обычных литых поршней.
Изготовление алюминиевых поршней методом литья расплавленного металла в форму, которую называют матрица или кокиль, инженеры переняли ещё у наших предков, отливающих бронзовые топоры. Залитый в кокиль алюминиевый сплав, грубо повторяет форму кокиля (матрицы) внутри и снаружи. Затем следует термическая и станочная обработка грубо отлитой детали (см. фото) , с которой снимается лишний металл и деталь принимает цилиндрическую форму (ну почти цилиндрическую, с небольшой конусностью).
Эта простая технология производства алюминиевых поршней отработана не одним десятилетием и делают так большинство поршней до сих пор, и такие поршни известны всем. Хотя современное литьё в кокиль, всё же отличается от литья топора первобытного человека, хотя бы тем, что металл подаётся в форму под давлением. Так отливают современные алюминиевые рамы мотоциклов, но вот поршни так отливают далеко не все фирмы.
Многие беря в руки литой поршень, даже авторитетного производителя, не видят снаружи никаких изъянов, и многие полагают, что в таких деталях как поршни, изъянов быть не должно. Но это не значит, что так и есть, ведь в процессе отливки, любая деталь насыщается внутренними пустотами, так называемыми кавернами (мельчайшие пузырьки). И литой алюминий всегда имеет некоторую рыхлость в своей структуре, которая естественно не добавляет ему прочности.
Как я написал выше, современное литьё под давлением, так называемая «жидкая штамповка» позволяет получить несколько лучшую структуру отлитого металла, но и эта технология всё же не устраняет полностью слабостей отлитых заготовок. Тем более, что с помощью жидкой штамповки изготавливают далеко не все поршни (о жидкоштампованных поршнях читаем вот здесь).
И чтобы как то упрочнить отлитые детали, в их конструкцию инженеры добавляют усиливающие элементы — например делают дно поршня толще, да и стенки тоже, а бобышки под палец делают более массивными. Конечно же все эти усиления добавляют веса, и в итоге выходит, что более древний и прочный чугунный поршень, проигрывает в весе алюминиевому поршню совсем не много — примерно 10 — 15 процентов.
И напрашивается вопрос — стоила ли овчинка выделки? Да стоила, так как у алюминиевого сплава есть ещё одно хорошее достоинство — алюминиевые сплавы раза в три лучше отводят тепло, чем чугун. И это свойство незаменимо в современных (горячих) двигателях, с высокой степенью сжатия.
Естественно если ваш мотоцикл (или автомобиль) всего лишь средство небыстрого перемещения тела на работу и обратно, ну и разок-другой на природу по выходным, то тратить деньги на замену штатного литого поршня (или поршней) на кованый нет смысла. Ведь лёгкие кованные поршни незаменимы для высокооборотистых моторов, и кроме того, что вы установите более лёгкий кованный поршень, нужно сделать ещё несколько операций по форсировке, установить спортивный распредвал и т.д (ну хотя бы как описано вот тут).
Но следует помнить, что жизнь форсированного двигателя хотя и яркая, но гораздо короткая, чем у штатного заводского мотора. И форсировка подойдёт для спортивных соревнований, или для вашего второго мотоцикла (или машины) на которых вы хотите отрываться по выходным на треке.
Технология производства кованых поршней.
Совсем по другому получается структура металла, если его упрочнить ещё до механической обработки. Для упрочнения поступают так: с отлитой большой болванки диаметром примерно 500 мм снимают верхний (самый рыхлый) слой металла, толщиной 15 — 20 мм. После этого «похудевшую» заготовку волочат (протягивают) через специальное устройство с отверстиями (фильеры), до тех пор, пока заготовка не станет тоньше в 10 раз! Естественно, что после такого сильного сжатия, от пустот в структуре отлитого материала не остаётся и следа.
Этапы формирования кованого поршня.а — заготовка отрезанная от пропущенного через фильеры прутка, б — паунсон, который формирует внутренний контур поршня, в — заготовка поршня вышедшая из под пресса, г — она же после обработки верхнего слоя металла на станке, д — поршень после конечной механической обработки на особо точном станке.
Далее от «похудевшей» более чем в 10 раз заготовки отрезают кусок прутка, который соответствует определённой массе заготовки будущего поршня, и укладывают этот кусок прутка в матрицу, в которой его нагревают до 485 градусов (минус или плюс 1 градус, но не более). После того, как заготовку (кусок прутка) уложили в матрицу и нагрели, на неё начинает давить паунсон с усилием в 250 тонн!, выдавливая внутренний контур в поршне (этот паунсон по своей форме точно повторяет внутренние контуры поршня).
После такого глобального сжатия, внутренняя структура алюминиевого сплава упрочняется уже на молекулярном уровне, получая совершенно новый по своим механическим свойствам материал. Дальше поршень обрабатывается на станке, так же как и обычный литой поршень.
И хотя такая технология в несколько раз затратнее обычной (от этого и кованый поршень в несколько раз дороже обычного литого), но всё же, как показали испытания — получаемый волочильным способом алюминиевый поршень выдерживает усилие на разрыв на 40% больше, усилие на изгиб на 30% больше, а термическая устойчивость повышается аж в пять раз! Твёрдость по Бриннелю у кованого поршня достигает 130 единиц (у литого едва доходит до 90). И при всём при этом, кованый поршень при одинаковой форме как у литого поршня, ещё и легче его примерно на 10%.
Из вышеописанного поймёт даже не профессионал, что кованые поршни выдержат самые жёсткие условия напряжённой работы форсированного двигателя, и не зря их применяют в авто и мотоспорте.
Ну а есть ли смысл устанавливать кованый поршень в серийный мотор?
Любому ясно, что кованые поршни просто необходимы в заряженных спортивных двигателях. Ведь при увеличении степени сжатия и мощности, нагрузка на цилиндро-поршневую группу возрастает, и значит малейшие пустоты в литом поршне заявят о себе довольно быстро, литой поршень просто развалится. Но нельзя забывать, что кроме установки кованых поршней в форсированный двигатель, и другие детали двигателя (например шатуны) нужно ставить гораздо качественнее и прочнее, чем штатные.
А есть ли смысл установки кованых поршней в обычный не форсированный заводской мотор? Да есть, ведь такие поршни могут предохранить двигатель от разрушения обычных литых поршней, например при случайной заправке низкосортным топливом, которого сейчас полно на заправках (как определить некачественный бензин читаем вот тут), и которое вызвало детонацию. Ведь детонация способна разрушить литые поршни всего за пару минут, при поездке с полной нагрузкой. А кованые поршни будут сопротивляться детонационным нагрузкам несколько часов.
И не забываем, что и термическая устойчивость кованых поршней больше чем у литых аж в пять раз! А это значит, что кованые поршни будут сопротивляться и калильному зажиганию дольше раз в пять. А литой поршень может прогореть от калильного зажигания в течении нескольких минут.
Это не значит, что установив кованые поршни, можно не обращать внимания на детонацию или калильное зажигание, но всё таки запас прочности никогда не помешает, ведь заправиться леваком можно случайно и от этого никто не застрахован.
Так же следует отметит, что термическая устойчивость кованых поршней (в пять раз большая, чем у литых) позволит не заклинить поршень в цилиндре от перегрева, что часто случается на более древних моторах с воздушным охлаждением, которые более склонны к перегреву.
И практика показала, что обычный литой поршень, после воздействия детонации, калильного зажигания, или перегрева приходилось менять, а вот кованый поршень, прошедший такие испытания, оставался пригодным для дальнейшей работы.
К тому же следует учесть, что кованые поршни медленнее изнашиваются от естественного износа. Разницу в износе литого и кованого поршня, на примере мотоцикла Урал, можно увидеть на графике слева, на котором красной линией показан износ литого поршня, а синей линией показан износ кованого поршня.
И последнее.
Зарубежные кованые поршни стоят больших денег, ведь там умеют ценить свой труд и считать деньги. У нас кованые поршни можно купить намного дешевле или заказать на российском предприятии (о российском производителе кованых поршней читаем вот тут). Но следует учесть, что сейчас появилось огромное количество подделок кованых поршней, особенно к отечественным мотоциклам и машинам. И здесь следует быть внимательным, чтобы не нарваться на подделку.
Следует уяснить, что технологией производства кованых поршней в России владеют считанные предприятия, и свой авторитет они берегут. Зарубежные потребители это уже поняли, и поняли так же, что и цена очень приятная, по сравнению с западом, а качество нисколько не хуже, и поэтому большинство заказчиков на этих предприятиях иностранцы.
Не знаю как кто, но я горд за наши предприятия, выпускающие кованые поршни, успехов всем.
suvorov-castom.ru
Что дают кованые поршни по сравнению с литыми
Спортивные автомобили нередко являются эталоном надежности, быстроты и мощи. Инженеры постоянно модернизируют двигатели болидов. Применяют новые материалы, современные технологии для улучшения технических характеристик двигателя. И со временем эти новшества используют для других автомобилей. Вот и рассмотрим, что дают кованые поршни, почему они являются более приемлемыми для мощных и скоростных машин и чем отличны от литых.
Кованые поршни больше подходят для мощных авто
Необходимо отметить, что кованые варианты значительно дороже широко распространенных литых. Поэтому прежде чем вы решите сделать тюнинг двигателя и установить дорогостоящую деталь, необходимо разобраться необходимо ли вам значительное увеличение стандартной мощности машины.
Необходимо признать, что поршни постоянно подвергаются высокой нагрузке. И от их качества напрямую зависит продуктивность двигателя. Еще немаловажным моментом является масса. Разработчики «бьются» не только за каждый сэкономленный килограмм, но и за каждый грамм общего веса автомобиля.
Некоторые особенности поршней
Экономия веса касается и детали, которую мы обсуждаем. Чем легче поршень, тем меньше инерционные силы, действующие внутри цилиндра. Как результат, ниже механические потери, повышается мощность и в итоге растут в значительной степени обороты двигателя.
Для уменьшения веса разработчики «подарили» детали интересную форму, которая лишена простоты. Это обусловлено самым важным фактором: температурой, способствующей расширению металла. При этом следует учесть, что деталь расширяется не совсем равномерно. Параллельно оси поршневого пальца в большей степени, чем в плоскости качания шатуна.
Кованые поршни имеют специальную форму для уменьшения веса
В результате повышенных нагрузок происходит неровный разогрев и деформация. Чем это чревато? Поршень неравномерно двигается в цилиндре. Более быстро изнашивается деталь, это в лучшем случае, но бывают и критические варианты: возникают задиры, поршни прихватываются, и результат может быть плачевным − заклинивает двигатель.
Второй немаловажный раздражающий фактор: давление газов внутри цилиндра. Третий: сила инерции. Они также создают дополнительное негативное воздействие на поршни. Мы рассмотрели эти моменты для того, чтобы понять, что от веса и материала этой детали зависит надежность и продуктивность работы всего мотора.
Литые или кованые поршни − что выбрать
Для любителей высоких скоростей выражение «кованые поршни» не является загадочным словосочетанием. Скорее наоборот, произнеся эту фразу, можно услышать целую лекцию с перечнем положительных качеств этой детали. Без нее не обходятся автомобили со специфическими моторами:
- Тюнинговые.
- Форсированные.
- Спортивные.
Эти силовые агрегаты требуют особого качества и надежности комплектующих деталей, не исключением является поршневая группа. Базовые заводские детали не только тяжеловаты, но и не обладают оптимальной формой для достижения поставленных целей. Мы разберем подробнее технологию производства, а затем узнаем, чем лучше кованые поршни и стоит ли на них менять стандартные.
Литые, к сожалению, иногда имеют незаметные дефекты, которые никак не отражаются на работе двигателя в обычном режиме. Но увеличение мощности мотора влечет за собой и повышение нагрузок. В результате эти невидимые для обычного глаза инородные вкрапления, каверны или пузырьки могут спровоцировать трещину либо поршень попросту прогорит. Такая проблема возникает при установке коленвала с модернизированным радиусом кривошипа.
Дополнительный отрицательный момент, влияющий на детали − повышенная, в сравнении с техническими параметрами, температура (она может подниматься до 300 и даже 350 °C). Чтобы с поршнем ничего не произошло, для кованых вариантов используют высококремнистый сплав алюминия. Он имеет прекрасные качества:
- Намного выше жаропрочность.
- Коэффициент расширения значительно ниже.
- Более высокая прочность.
Более узкие кольца значительно снижают трение. В то же время изменение профиля поршня никак не повлияло на повышение расхода масла. Современные материалы и передовая технология поспособствовали значительному снижению теплового зазора блока цилиндров и кованого поршня. Он составляет всего от 0,06 до 0,05 миллиметров. Но что более важно, вы будете избавлены от опасности «поймать клин» двигателя.
Кованые поршни придется заказать отдельно, по умолчанию почти все авто оснащаются литыми
Небольшое, но важное уточнение. В автомобилях серийного производства установлены литые поршни. Поскольку они изготавливаются массовым порядком, цена вполне приемлема. Но это не единственное достоинство. Эти детали вполне соответствуют своему назначению и могут замечательно выполнять свои функции. Поэтому если вы пользуетесь автомобилем исключительно для поездок, а не скоростных гонок, не стоит делать значительные вложения в модернизацию двигателя. Это касается и капитального ремонта мотора.
Технология изготовления
Название «литые» говорит само за себя, они производятся методом литья металла в специальную матрицу. Для этого берется сплав алюминия с добавлением в определенных пропорциях кремния. Деталь изначально имеет овальную форму. Но под воздействием высокой температуры производится вышеописанная процедура, и поршень приобретает практически идеальную форму цилиндра. Кроме того, юбку поршня делают бочкообразной формы, которая является самой оптимальной для хорошего выполнения своих функций.
Для предотвращения деформаций под воздействием температуры внутрь поршня заливают термокомпенсирующие вставки из стали. Это позволяет предотвратить сильное расширение в области бобышек.
В отличие от этого метода кованые детали по большому счету должны называться штампованными, поскольку именно эта технология применяется для их изготовления.
Для производства надежных поршней заготовка из специальных сплавов получается методом изотермической или жидкой штамповки. Они отличаются одна от другой, но гарантируют прекрасный результат.
Жидкая штамповка. В матрицу заливают расплавленный металл и применяют пуансон, который деформирует сплав строго в соответствии с заданной скоростью. Эта одноразовая штамповка позволяет получить высококачественный полуфабрикат, который в дальнейшем доводится до нужных параметров механической обработкой.
Изотермическая штамповка. Для этого метода берут предварительно подготовленные заготовки. Они получаются из обжатого через фильеру специального прута из высококремнистого алюминия. Такой метод позволяет убрать все поры в металле и изменить в лучшую сторону его структуру. Затем матрицу вместе с мерной заготовкой нагревают до температуры 450 °C и только после этого деталь штампуется скоростным методом с помощью гидравлического пресса. Усилие в 250 т делает фантастические преобразования. При этом постоянная температура матрицы способствует равномерной заполняемости формы, благодаря этому детали получаются не только точными, но и надежного качества.
Чем лучше кованые поршни еще? Поговорим отдельно о твердости: она составляет 130 ед. При этом запчасти гарантированно избавлены от раковин, каверн, а также трещин. Дополнительным положительным моментом является снижение веса, он на 50 грамм ниже обычных заводских вариантов. А весь комплект поможет снизить массу двигателя примерно на 0,5 кг.
Эта разработка сделала огромный прорыв в производстве гоночных автомобилей, поскольку полностью соответствует высоким нагрузкам во время соревнования. Детали также применяются в форсированных движках. Они меньше прогорают, поскольку имеют высокую термоцикличную стойкость.
Недостатки кованых и литых деталей
Мы рассмотрели прекрасные характеристики запчастей, изготовленных методом штамповки. Но на вопрос какие устанавливать поршни кованые или литые, ответить сможете только вы сами. Все зависит от режима эксплуатации автомобиля и ваших предпочтений. Чтобы вам было проще определиться с выбором, мы расскажем, какие есть отрицательные стороны кованых деталей.
Главный недостаток кованых поршней — это цена
Первая: цена. Она довольно высока и зависит от сложного метода производства поршней. Вторым отрицательным моментом можно считать финансовые средства, которые придется заплатить квалифицированному мотористу. Только классный спец сможет сделать правильную модернизацию вашего двигателя. А такая работа не может быть дешевой. В этом случае производится не только установка, но и подгонка детали.
Теперь поговорим о литых вариантах. К сожалению, этот метод не гарантирует отсутствие технологического брака. Как мы писали выше, могут присутствовать пустоты, которые в дальнейшем приводят к трещинам. Кроме того, сплав не особо твердый, даже закалка обеспечивает по шкале Бринеля всего лишь 80 ед. Именно поэтому для надежности увеличивают их вес.
Кованые поршни значительно улучшают технические характеристики двигателя. Если вы любитель прокатиться с ветерком, то это более чем прекрасный вариант. Что дают кованые поршни: вы гарантированно надолго будете защищены от проблемы прогорания поршней, которая нередко случается из-за частых нагрузок на мотор. Но при этом, если вы передвигаетесь исключительно в щадящем скоростном режиме, то такой тюнинг может быть не нужен. Ну а дальше решайте сами: стоит производить модернизацию или продолжать использовать стандартные литые поршни.
365cars.ru
Производство поршней
Подробнее..
11.08.2016 Тюнинговые поршни 2110 смещением 2.3 мм с уменьшенной камерой сгорания. Подробнее..| Исходное сырье для изготовления поршней | Подготовка сплава |
• Тепловой режим расплавления алюминиевых чушек и подготовки сплава специалистами поддерживается оптимальным. Режим может меняться в зависимости от атмосферных условий и свойств партии сплава.
• Литье поршней ведется на машинах FATA. Специалистами "ТДМК" и АвтоВАЗ были определены оптимальный цикл работы литьевых машин и оптимальный режим охлаждения кокиля и заготовки. Это позволяет получать заготовку со стабильной кристаллической структурой и значительно улучшать качество поршней.
• Термообработка поршней ведется на уникальном оборудовании. Оборудование, разработанное и изготовленное ТДМК для термообработки поршней, обеспечивает заданный график воздействия температуры во времени и минимальную разницу по объёму садки.
| Литьевая машина | Черновая обточка поршня |
| Межоперационное измерение | Алмазная расточка отверстия под палец |
| Выходной контроль | Комплектация по весу |
www.ftdmk.ru
Кованые поршни
Кованые поршни.
Кованые поршни это элемент тюнинга, который прочно вошёл в нашу автомобильную жизнь, сейчас практически любой автомобильный тюниг проект предусматривает замену штатной поршневой группы на кованный либо литой вариант поршней подходящих под требования заказчика. Сегодня мы остановимся на кованых поршнях.
Поршень ДВС – это ключевой элемент процесса в двигателе внутреннего сгорания, поршень представляет собой «втулку», которая двигается вверх и в низ, в нутрии каждого цилиндра сжимая воздушно-топливную смесь воспламеняемую свечой зажигания, образовавшаяся в результате этого энергия проворачивает коленвал, который в свою очередь подаёт мощность на колёса. Поршень имеет овальную форму.
В современном моторе поршни одни из самых нагруженных деталей. Рост максимальных оборотов двигателя заставляет бороться за массу шатунно-поршевой группы. Чем легче поршень, тем меньше он под действием боковых сил инерции прижимается к поверхности цилиндра, а значит, меньше будут механические потери и выше мощность, а так же максимально допустимые обороты двигателя. При снижении массы поршень приобретает оригинальную форму и утрачивает простоту.
При нагреве металл поршня расширяется, причём поршень расширяется неравномерно – больше в направлении, параллельном оси поршневого пальца, и меньше – в плоскости качения шатуна. Происходит это потому что металла в области бобышек-приливов под поршневой палец – больше, и по этому если, предположим, поршень был бы цилиндрическим в холодном состоянии, то при нагреве до рабочей температуры он станет овальным. Во-вторых, юбка поршня при работе двигателя тоже нагревается не равномерно, и тоже примет изогнутую «корсетную» форму. Точно так же ведёт себя и конусная юбка поршня двигателя. Всё это приводит к сокращению пятна контакта поршня с поверхностью цилиндра, повышенному износу, а в худшем случае – задиру, прихватыванию поршней и заклиниванию двигателя. Помимо нагрева деформация поршня происходит под давлением газов и сил инерции. Для нормальной работы поршень должен быть как можно легче, прочнее и как можно меньше изменять свою форму при нагреве и других вышеперечисленных воздействиях.
Технология изготовления кованых поршней.
Точное название процесса изготовления не «ковка», а изотермическая штамповка. Заготовку поршня получают из высококремнистого алюминиевого прутка (содержание кремния 10-18%) прошедшего многократную протяжку через фильеры, выдавливанием без плавления – единственным ходом пресса при постоянной температуре от 420-495 градусов в зависимости от производителя.
Естественно, что штамповка это не последний этап производства кованого поршня, после штамповки следует:
— Остывание отштампованной заготовки (1 час)
— Заготовку дважды подвергают нагреву для придания устойчивости металлу
— Заготовке придают определённую форму на токарном станке для дальнейшей обработки.
— В заготовке по бокам просверливают отверстия для подачи масла, которое смазывает поршень в процессе работы
— Обработка на токарном станке для придания необходимого диаметра, а так же нарезание канавок для маслосъемных и компрессионных колец.
— Прорезание отверстия для поршневого пальца.
— Облегчение поршня на фрезерном станке
— Придание необходимой формы «куполу поршня» или рабочей зоне, вырезание вытеснителя или «цековок» для клапанов.
— Срезание тончайшего слоя металла на токарном станке с «юбки» поршня для того что бы при нагреве поршень мог увеличиться в размере без опасности «прихвата» юбки к стенкам цилиндра.
— Нарезка отверстий для смазки поршневого пальца
— Гравировка на рабочей зоне поршня модели и даты производства детали.
— Ручная обработка острых кромок на ленточном шлифовальном станке.
— Обработка посадочного места поршневого пальца на металлорежущем станке.
— Мойка готовых поршней специальным раствором.
— Сушка под воздушной пушкой.
Всё поршень готов для использования!
По сравнению с литыми поршнями «ковка» легче и одновременно прочнее, форма кованого поршня оптимальна для форсированных двигателей, склонность к прогару меньше. Твёрдость кованых поршней 120-130 ед. по Бриннелю против 80-90 ед. у обычных литых. Термоциклическая стойкость выше в 5-6 раз. Если литые поршни до появления первых трещин выдерживают в среднем 400 испытательных циклов «нагрев-охлаждение», то кованные (штампованные) 2500 циклов. Кроме того стандартный жигулёвский поршень весит 376-380 гр., а кованый поршень на 40-80 гр. легче. Так же кованые поршни избавлены от таких дефектов литых поршней как: каверны, пузырьки, вкрапления инородных тел, которые невидны глазу и которые не выявить даже при самом тщательном осмотре. Наличие этих дефектов может быстро привести к тому, что на высоконагруженном ДВС поршень прогорит или даст трещину. При изготовлении кованых поршней возникает проблема невозможности запрессовки в поршень термокомпенсирующих вставок и вследствие этого необходимость в более тщательном подборе профиля поршня, а так же соблюдение зазора при его монтаже в цилиндр.
На данный момент изготовлением кованых поршней в России занимаются 5-6 предприятий, купить их можно в большинстве крупных тюнинг магазинов по цене от 8000р за распространённые модели, а так же заказать оригинальный комплект у производителя по цене от 10000р.
В завершении статьи хочу отметить, что использование кованых поршней в тюниг проектах себя полностью оправдывает, как с точки зрения качества, так и сточки зрения удобства. А широкий выбор комплектующих и возможность их изготовления на заказ позволяет удовлетворить самые изысканные требования заказчика.
Среди известных мне крупных Российских производителей кованых поршней отмечу:
НПО «Авиатехнология» (МАМИ) большой выбор готовых изделий для автомобилей ВАЗ
АМС-Сервис (Бушланов) изготовление комплектов кованых поршней на заказ
СТИ большой выбор готовых изделий, а так же работа на заказ.
Среди зарубежных производителей отмечу:
MAHLE
CP Pistons
Текст Михаил Шевченко
При подготовке статьи использованы материалы:
www.kartuning.ru
www.zr.ru
ВИДЕО ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОВАНОГО ПОРШНЯ ПОЛНЫЙ ЦИКЛ
ФОТО1-2,4-7,10-12,14-15
www.flashracing.ru
