Конструкція та форма поршневих кілець
Матеріали для виготовлення поршневих кілець
Матеріали для виготовлення поршневих кілець вибираються за наявності у них антифрикційних властивостей та за умовами, за яких повинні працювати поршневі кільця. Хороша еластичність і корозійна стійкість важливі точно також, як і висока опірність по відношенню до пошкоджень при екстремальних умовах експлуатації. Сірий чавун є сьогодні ще основним матеріалом, з якого виготовляються поршневі кільця. З трибологічної точки зору сірий чавун, з прошарками графіту, що містяться в його структурі, має відмінні антифрикційні властивості (сухе змащування графітом).
Вони важливі особливо тоді, коли змащення більше не забезпечується моторним маслом або масляниста плівка вже зруйнована. Крім того, графітові жилки в структурі кільця є своєрідним масляним резервуаром і за несприятливих умов експлуатації заважають руйнуванню маслянистої плівки.
Як різновиди сірого чавуну використовуються такі матеріали:
• Чавун із пластинчастою структурою графіту (чавун із пластинчастим графітом), збагачений та незбагачений.
• Чавун із глобулярною структурою графіту (чавун із кулястим графітом), збагачений та незбагачений.
Процес лиття поршневих кілець
* Нітрування позначається мовою фахівців також, як азотування (подача азоту) і є метод для загартування стали. Нітрування проводиться зазвичай при температурі від 500 до 520 °С. Час обробки – від 1 до 100 год. На поверхні деталі завдяки прямій дифузії азоту утворюється дуже твердий поверхневий шар міжз'єднань із нітриду заліза. Залежно від часу обробки він може досягати товщини 10-30 мкм. Розповсюдженимиметодами є нітрування у соляній ванні (наприклад, колінчастих валів), газове азотування (поршневих кілець) та нітрування плазмою
Матеріали для покриття робочої поверхні
На робочі пояски або робочі поверхні поршневих кілець для покращення трибологічних властивостей можна наносити покриття. При цьому, перш за все, на першому плані стоїть підвищення зносостійкості та забезпечення змащування та ущільнення в екстремальних умовах експлуатації. Матеріал для покриття повинен гармоніювати як з матеріалами, з яких виготовлені поршневе кільце та стінка циліндра, так і з мастилом. Використання покриття робочої поверхні у поршневих кілець знайшло широке поширення. Часто кільця двигунів серійного виробництва мають покриття із хрому, молібдену та ферооксиду.
Але використовуються також і кільця з CKS (шарами хрому - кераміки) або покриттям, нанесеним методом фізичного відділення з пароподібної фази (PVD = Physical Vapour Deposition). Нітрид титану (TiN) і азотистий хром (CrN) використовуються при дрібніших серіях виробництва (насамперед у гоночних двигунів).
* Трибологія (грец.: вчення про тертя) включає дослідження і технологію діючих змін поверхонь, що рухаються відносно один одного. Ця наука займається описом тертя, зносу та змащування.
Молібденування
Щоб уникнути слідів пригару, робоча поверхня компресійних кілець (тільки не маслознімних кілець) може бути наповнена молібденом або по всій поверхні ним покриватися. Це може відбуватися як у процесі газополум'яного, так і в процесі напилення плазми. Молібден гарантує через високу точку плавлення (2620 °С) більш високу термостійкість. Крім того, завдяки цьому методу нанесенняпокриття можна отримати пористу структуру матеріалу. У мікропустотах, що виникають через це, на робочій поверхні кілець (рис. 2) може збиратися моторне масло, яке гарантує, що навіть при екстремальних умовах експлуатації ще є достатньо мастила для робочої поверхні кільця.
Властивості:
• Гарні антифрикційні властивості.
• М'якший ніж хром.
• Менш зносостійкий ніж хромові кільця (сприйнятливіший до забруднень).
• Більш сприйнятливий до вібрації поршневих кілець (внаслідок цього викиди молібдену при екстремальних навантаженнях, таких як, наприклад, детонаційне згоряння та ін. збої процесу згоряння).
Хромування
Хромове покриття може бути нанесене як гальванічним методом, так і методом плазмового напилення. У маслознімних поршневих кілець застосовується гальванічне нанесення покриття.
Властивості:
• Великий термін служби (зносостійкість).
• Найменший знос циліндрів (приблизно 50% порівняно з кільцями без покриття).
• Гарна опірність по відношенню до слідів пригару.
• Антифрикційні властивості гірші, ніж при молібденуванні.
• Через хорошу зносостійкість необхідно більше часу для приробітку, ніж у неармованих, маслознімних зі сталевими пластинками або U-подібних пружинних маслознімних поршневих кілець.
Види покриття робочої поверхні кільця
Мал. 4 - Повністю з покриттям
Мал. 5 - Зі вставкою з нанесеним покриттям у робочій поверхні кільця
Мал. 6 - Сніжною зовнішньою оболонкою з одного боку
Відшаровування покриття
Іноді відбувається відшаровування напиленого молібденом і ферооксидом покриття робочої поверхні. Причиною цьогоє в основному помилки при монтажі поршневих кілець (надто сильне розтягування при надяганні на поршень і натягування кілець, як показано на малюнку 1). При неправильному надяганні кілець на поршень покриття розламується тільки на спинці кільця (рис. 2). Якщо нанесене покриття на стикових кінцях відшаровується (рис. 3), це вказує на вібрацію поршневого кільця через збій процесу згоряння (напр., детонаційне згоряння).
Мал. 1
Мал. 2
Обробка робочої поверхні (обточування, притирання, шліфування)
Робочі поверхні поршневих кілець із чавуну, як правило, піддаються лише тонкому обточуванню. Через невеликий час приробітку неармованих кілець відмовляються від обробки робочої поверхні шліфуванням або притиранням. Робочі поверхні з нанесеним покриттям або схильні до загартування або тільки шліфуються, або притираються. Причина цього полягає в тому, що завдяки гарній зносостійкості це тривало б дуже довго доти, доки кільця набули б круглої форми і стали б добре ущільнювати. Результатом були б втрата потужності та висока витрата олії.
Мал. 4
Випукла форма робочої поверхні
Наступна причина для використання процесу шліфування або притирання – це форма робочої поверхні. Поршневі кільця прямокутного перерізу з-за руху вгору і вниз, а також з-за руху кільця в кільцевій канавці (скручування кільця) приймають через деякий час на робочій поверхні опуклу форму (рис. 5 і 6). Це позитивно відбивається на утворенні маслянистої плівки та термін служби кілець.
Мал. 5
Мал. 1 - Симетрична опуклість
Мал. 2 -Асиметричнаопуклість
Вже при виробництві кілець із нанесеним покриттям їм надають дещо опуклу форму. Внаслідок цього вони не повинні отримувати певну форму при підробітку, а вже з самого початку мають бажану форму і попередньо прироблену робочу поверхню. Завдяки цьому немає не тільки підвищеного зносу від приробітку, але й разом із ним пов'язаної витрати олії. Через точковий контакт робочої поверхні кільця з'являється більш високий специфічний тиск притиску на стінку циліндра і, разом з цим, найкраща герметизація від газу та масла. Також зменшується небезпека контакту кромки, що виходить від ще гострих кромок кільця. У кільця з хрому є і без того завжди перелом кромки для того, щоб запобігти продавлюванню олійної плівки під час приробітку. Дуже твердий хромовий шар при не дуже вдалій конструкції міг би призвести до значного зносу і пошкодження м'якшої стінки циліндра.
Симетричні, опуклі робочі поверхні кільця (рис. 1), незалежно від того, чи є вони результатом приробітку або вже виробництва, мають дуже хороші антифрикційні властивості і створюють певну товщину маслянистої плівки. При симетричній опуклості товщина маслянистої плівки при русі поршня вниз і вгору скрізь однакова. Сили, що діють на кільце і дозволяють йому випливати на масляній плівці, в обох напрямках рівні.
Якщо опуклість вже результат виробництва кільця, то для кращого контролю витрати масла існує можливість створити асиметричну опуклість. Вища точка опуклості перебуває тоді над середині робочої поверхні, а трохи нижче (рис. 2).
При русі кільця вгору воно добре ковзає по олійній плівці в напрямку верхньої мертвої точки, так як утворення олійногоклину, завдяки більшій діючій площі над вершиною опуклості кільця більше, ніж під нею (рис. 3). Швидше за все, кільце видавлюється олійною плівкою, а не навпаки. Це означає, що товщина маслянистої плівки під час руху вгору сильно не зменшується. При русі кільця вниз (мал. 4), через меншу діючу площу під вершиною його опуклості воно не може так сильно планувати на масляній плівці. Більша кількість масла знімається та транспортується назад у кривошипну камеру. Внаслідок цього, асиметрично опуклі кільця служать також і для контролю витрати масла, особливо при несприятливих умовах експлуатації та в дизельних двигунах. Це трапляється, наприклад, після триваліших фаз холостого ходу, наступних за періодами повного навантаження, при якій часто відбувається викид олії у випускну систему і з'являється блакитний дим при повторному газуванні.